Een egale dichtheidsverdeling van een membraan op nanoschaal blijkt van groot belang voor ontziltingsmembranen en het ontziltingsproces kan veel efficiënter (en goedkoper) als je daarmee rekening houdt. Die ontdekking deden onderzoekers van drie Amerikaanse universiteiten. Ze wisten daarmee een complex probleem op te lossen dat wetenschappers decennialang heeft beziggehouden. Het onderzoek is gepubliceerd in Science.
De onderzoekers van Penn State University (Pennsylvania), de Universiteit van Texas in Austin en Iowa State University werkten bij hun onderzoek samen met wetenschappers van Dow Chemical Company en DuPont Water Solutions. Zij onderzochten hoe membranen daadwerkelijk mineralen uit water filteren. “Want ondanks dat ze al vele jaren worden toegepast, is er veel dat we niet weten over de werking van waterfiltratiemembranen”, zegt Enrique Gomez, hoogleraar chemische technologie en materiaalkunde en engineering bij Penn State, die het onderzoek leidde. “We ontdekten dat de manier waarop je de dichtheidsverdeling van het membraan zelf op nanoschaal controleert, erg belangrijk is voor de prestaties van de waterproductie.”
Complexe fijne details
Ontziltingsmembranen verwijderen zout en andere chemicaliën uit water, zodat dat kan worden gebruikt voor landbouw, energieproductie en drinkwater. Het idee lijkt eenvoudig: duw zout water erdoor en schoon water komt aan de andere kant uit. Maar het proces bevat complexe fijne details die wetenschappers nog steeds proberen te begrijpen. Het onderzoeksteam heeft nu een belangrijk aspect van dit mysterie opgelost, waardoor de kosten van de productie van schoon water kunnen worden verlaagd. De onderzoekers stelden vast dat ontziltingsmembranen niet consistent zijn in dichtheid en massaverdeling, wat hun prestaties kan belemmeren. Een uniforme dichtheid op nanoschaal is de sleutel tot het vergroten van de hoeveelheid schoon water die deze membranen kunnen creëren.
Aanzienlijk minder energie
De bevindingen zijn op 1 januari gepubliceerd in Science. Het artikel maakt melding van een toename in efficiëntie van de geteste membranen met 30 tot 40 procent, wat betekent dat ze meer water kunnen reinigen met aanzienlijk minder energie. Omgekeerde-osmosemembranen werken door aan één kant druk uit te oefenen op de zoute voeroplossing. De mineralen blijven achter, terwijl het water er doorheen stroomt. Hoewel het efficiënter is dan ontziltingsprocessen zonder membraan, kost het toch een grote hoeveelheid energie, aldus de onderzoekers, en het verbeteren van de efficiëntie van de membranen zou die belasting kunnen verminderen.
3D-reconstructies op nanoschaal
De Amerikaanse National Science Foundation en DuPont, dat tal van ontziltingsproducten maakt, financierden het onderzoek. Het idee ontstond toen DuPont-onderzoekers ontdekten dat dikkere membranen eigenlijk beter doorlatend bleken te zijn. Dit kwam als een verrassing, omdat er altijd vanuit was gegaan dat door dikkere membranen juist minder water kan stromen. Het DuPont-team legde in 2015 op een ‘watertop’ die was georganiseerd door Manish Kumar, universitair hoofddocent Civiele, Bouwkundige en Milieutechniek aan de UT Austin, contact met Dow Water Solutions, inmiddels onderdeel van DuPont. Vervolgens is de bal gaan rollen. Het onderzoeksteam van de drie universiteiten ontwikkelde 3D-reconstructies van de membraanstructuur op nanoschaal, met behulp van de modernste elektronenmicroscopen in het Materials Characterization Lab van Penn State. Ze modelleerden het pad dat water door deze membranen neemt om op basis van de structuur te voorspellen hoe efficiënt water kan worden gereinigd. De onderzoekers brachten zo de dichtheidsvariaties in polymeerfilm in drie dimensies in kaart met een ruimtelijke resolutie van ongeveer één nanometer. Volgens Gomez was deze technologische vooruitgang de sleutel tot het begrijpen van de rol van dichtheid in membranen. Hij maakt de vergelijking met een koffiefilter: “Daar kun je met het blote oog zien hoe sommige plaatsen min of meer ‘dicht’ zitten. In filtratiemembranen ziet het er vergelijkbaar uit, maar dan op nanoschaal. Hoe je die massadistributie controleert, is erg belangrijk voor de prestaties van een waterfilter.”
Consistente dichtheid
De onderzoekers ontdekten dat de dikte van een membraan minder belangrijk is dan het vermijden van zeer dichte nanoschaalgebieden of ‘dode zones’. In zekere zin is een meer consistente dichtheid over het gehele membraan belangrijker voor het maximaliseren van de waterproductie dan de dikte van het membraan, aldus Gomez.
Verder onderzoek
Het team blijft de structuur van de membranen bestuderen, evenals de chemische reacties die een rol spelen bij het ontziltingsproces. Ze onderzoeken ook hoe ze de beste membranen kunnen ontwikkelen voor specifieke materialen, zoals duurzame maar taaie membranen die de vorming van bacteriegroei kunnen voorkomen. “We blijven verder zoeken om alle cruciale factoren van efficiënte filtratie boven water te krijgen”, aldus Gomez.
