Membranen van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes (VaCNT) kunnen worden gebruikt om water bij hoge stroomsnelheid en lage druk te reinigen of te ontzilten. Onlangs hebben onderzoekers van het Karlsruhe Institute of Technology (KIT) en partners steroïde-hormoonadsorptie-experimenten uitgevoerd om het krachtenspel in de kleine poriën te bestuderen.

Ze ontdekten dat VaCNT met een specifieke poriegeometrie en porieoppervlakstructuur geschikt is voor gebruik als zeer selectieve membranen. Hun onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications .

Schoon drinkwater is van levensbelang voor alle mensen wereldwijd. Membranen worden gebruikt om op efficiënte wijze microverontreinigingen te verwijderen, zoals steroïde hormonen die schadelijk zijn voor de gezondheid en het milieu. Een veelbelovend membraanmateriaal is gemaakt van verticaal uitgelijnde koolstofnanobuisjes (VaCNT).

"Dit materiaal is verbazingwekkend:met kleine poriën met een diameter van 1,7 tot 3,3 nanometer, een bijna perfecte cilindrische vorm en een kleine torsie", zegt professor Andrea Iris Schäfer, hoofd van het KIT Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT). "De nanobuisjes zouden een sterk adsorberend effect moeten hebben, maar slechts een zeer lage wrijving hebben." Momenteel zijn de poriën te groot voor effectieve retentie, maar kleinere poriën zijn technisch nog niet haalbaar.

Krachtenspel

In experimenten met steroïde microverontreinigingen onderzochten IAMT-onderzoekers waarom VaCNT-membranen perfecte waterfilters zijn. Ze gebruikten membranen geproduceerd door het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) in Livermore (Californië). De bevinding:De lage adsorptie van VaCNT, d.w.z. afzetting op het oppervlak, is wenselijk voor zeer selectieve membranen die zich richten op speciale stoffen.

Uit het onderzoek blijkt dat adsorptie in nanoporiën van membranen niet alleen afhankelijk is van het adsorptieoppervlak en de beperkte massaoverdracht, maar ook van het samenspel van hydrodynamische krachten, wrijving en de aantrekkings- en afstotingskrachten op het grensvlak tussen vloeistof en wand. Zeer waterdoorlatende nanoporiën vertonen een lage interactie vanwege de kleine wrijving en de hoge stroomsnelheid.

"Als de moleculen vanwege hun grootte niet worden vastgehouden, zal de interactie met het materiaal vaak bepalen wat er gebeurt. De moleculen zullen door het membraan stuiteren, net als een klimmer die een muur beklimt. Dit is veel gemakkelijker als er veel goede klimgrepen zijn," Schäfer legt uit. Studies zoals die uitgevoerd door IAMT helpen bij het specifiek ontwerpen van de poriëngeometrie en de poriënoppervlakstructuur.

Tien jaar om van het idee een experiment te maken

De membranen zijn ontwikkeld door Dr. Francesco Fornasiero en zijn team bij LLNL. De experimenten met de microverontreinigingen zijn uitgevoerd en geëvalueerd met behulp van de nieuwste analytische instrumenten van IAMT. "Het duurde ongeveer tien jaar om het idee om te zetten in een succesvol experiment dat de brede belangstelling van de membraantechnologiegemeenschap heeft kunnen wekken", zegt Schäfer.

De productie van dergelijke bijna perfecte membranen is buitengewoon moeilijk. Op grotere oppervlakken van enkele vierkante centimeters is de kans op defecten zeer groot. En defecten zouden de resultaten beïnvloeden. De afgelopen jaren is LLNL erin geslaagd om membranen op grotere oppervlakten te produceren. Tegelijkertijd bouwden IAMT-onderzoekers zeer kleine filtersystemen voor experimenten om sporen van verontreinigende stoffen op twee vierkante centimeter vast te houden.

"Afschaling is buitengewoon moeilijk. Dat we dit samen hebben gedaan, is een groot succes", zegt Schäfer. "Nu wachten we op de ontwikkeling van membranen met nog kleinere poriën."

De studie was de eerste die zich concentreerde op het samenspel van hydrodynamische krachten, wrijving en aantrekkings- en afstotingskrachten. Het biedt basisbevindingen met betrekking tot waterverwerking. Deze kunnen ten goede komen aan ultra- en nanofiltratieprocessen die worden gecontroleerd door nanoporiën.

Meer informatie: Minh N. Nguyen et al., Samenspel van de krachten die de adsorptie van steroïdhormoon-microverontreinigingen beheersen in verticaal uitgelijnde nanoporiën van koolstofnanobuisjesmembraan, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44883-2

Aangeboden door Karlsruhe Instituut voor Technologie