Afsaltning gjort enklere

At få adgang til drikkevand er en daglig udfordring for mere end en milliard mennesker i verden. Afsaltning kan hjælpe med at lindre sådanne vandstressede befolkninger ved at filtrere salt fra rigeligt havvand, og der er mere end 7.000 afsaltningsanlæg på verdensplan, hvoraf 250 opererer alene i USA. De membraner, som disse planter bruger til at filtrere salt fra, har dog en tendens til at nedbrydes, når de udsættes for en vigtig ingrediens i processen: klor.

Effektivisering af afsaltning: Forsker Ho Bum Park har to prøver af den klor-tolerante afsaltningsmembran. Den til venstre er en tiendedel af en mikrometer tyk og er lavet af en porøs støtte med en tynd belægning af membranen. Den blå membran er omkring 50 mikrometer tyk.

Nu har forskere ved University of Texas i Austin (UT Austin) og Virginia Polytechnic Institute konstrueret en klor-tolerant membran, der filtrerer salt lige så godt som mange kommercielle membraner. Forskerne siger, at en sådan membran ville eliminere dyre trin i afsaltningsprocessen og i sidste ende blive brugt til at filtrere salt ud af havvand. Resultaterne af deres undersøgelse vises i det seneste nummer af tidsskriftet anvendt kemi .

De fleste afsaltningsanlæg bruger i dag polyamidmembraner til effektivt at adskille salt fra havvand. Da havvand rummer en række organismer, der kan danne en tyk film over membraner og tilstoppe filteret, bruger planter klor til at desinficere indkommende vand, før det sendes gennem membraner. Problemet er, at disse membraner nedbrydes efter kontinuerlig eksponering for klor. Så afsaltningsindustrien tilføjede endnu et trin, og hurtigt afklorerede vandet, efter at det er blevet behandlet med klor, og før det løber gennem membranen. Når vandet er afsaltet, tilsættes klor igen, inden vandet kommer ind i drikkevandsforsyningen.

Benny Freeman , en professor i kemiteknik ved UT Austin, siger, at en klor-tolerant membran kan hjælpe betydeligt med at strømline afsaltningsprocessen. Freeman og James McGrath , en professor i kemi ved Virginia Polytechnic Institute, konstruerede en vandfiltrerende membran, der tåler gentagne eksponeringer af klor.

Den nye membran er lavet af polysulfon, en svovlholdig termoplast, der er meget modstandsdygtig over for klor. Tidligere forskere har forsøgt at designe klor-tolerante membraner ved hjælp af polysulfon, men er blevet hæmmet, fordi materialet er ekstremt hydrofobt og ikke let slipper vand igennem. Forskere har forsøgt at ændre polymerens sammensætning kemisk ved at tilføje hydrofile eller vandtiltrækkende forbindelser. Timing er dog alt, og Freeman siger, at når forskere tilføjer sådanne forbindelser, efter at de har syntetiseret polymeren, bryder du til sidst rygraden i polymerkæden ... til det punkt, hvor det ikke er nyttigt.

I stedet tilføjede Freeman og McGrath to hydrofile, ladede sulfonsyregrupper under polymerisationsprocessen og fandt ud af, at de var i stand til at syntetisere en holdbar og reproducerbar polymer. De udførte derefter en række eksperimenter for at måle materialets evne til at tolerere klor og filtrere salt fra sammenlignet med kommercielle membraner.

Først udførte holdet saltpermeabilitetstest, der målte mængden af ​​salt, der passerer gennem en membran i en given mængde tid. Jo mindre salt der findes i det filtrerede vand, jo bedre. Freeman og McGrath fandt ud af, at den nye membran klarede sig lige så godt som mange kommercielle membraner til at bortfiltrere vand med lavt til medium saltindhold. For saltere prøver, der kan sammenlignes med havvand, var holdets membran lidt mindre permeabel.

Vi har materialer, der i dag er konkurrencedygtige med eksisterende nanofiltrering og nogle af brakvandsmembranerne, siger Freeman. Vi presser nu kemien for at komme længere ind i havvandsområdet, som er et betydeligt marked, vi gerne vil have adgang til.

Forskerne testede også polymerens klorfølsomhed. De fandt ud af, at efter at have været udsat for koncentrerede opløsninger af klor i mere end 35 timer, havde den nye membran kun lidt ændring i sammensætning sammenlignet med kommercielle polyamidmembraner, som blev spist væk af klor.

I øjeblikket manipulerer Freeman og hans kolleger polymersammensætningen yderligere for at forsøge at justere forskellige egenskaber i håb om at designe en mere selektiv og klorbestandig membran. De er også i forhandlinger med en førende producent af afsaltningsmembraner, med det mål at bringe den nye membran på markedet.

Disse membraner kan repræsentere en rimelig vej til kommercialisering, siger Freeman. Hvis det lykkes, vil vi have muligheden for grundlæggende at lave disse membraner på det samme udstyr, som folk bruger i dag.

Erik Hoek , en assisterende professor i civil- og miljøteknik ved University of California, Los Angeles, arbejder på konstruktion af nye afsaltningsmembraner ved California Nanosystems Institute. Han siger, at den klor-tolerante membran udviklet af Freemans team kan være et lovende alternativ til nutidens industrielle modstykker.

Dette arbejde er blandt de mest innovative og interessante forskning om membranmaterialer i det seneste årti, siger Hoek. Selvom klortolerancen, som disse membraner udviser, er imponerende, er den grundlæggende separationsydelse endnu ikke, hvor den skal være, for at disse materialer kan udråbes som øjeblikkelige erstatninger for kommerciel havvandsmembranteknologi.

skjule