Kontrol Struktur Skala Nano dari Membran Desalinasi adalah Kunci untuk Air Murni

Model 3D dari membran desalinasi polimer ini menunjukkan aliran air – saluran perak, yang bergerak dari atas ke bawah – menghindari titik padat di membran dan memperlambat aliran. Kredit: Gambar dari kelompok penelitian Ganapathysubramanian / Iowa State University dan Gregory Foss / Texas Advanced Computing Center

Membran desalinasi bertindak sebagai filter untuk air asin: ia mendorong air melalui membran, memperoleh air bersih yang sesuai untuk pertanian, produksi energi, dan bahkan untuk minum. Prosesnya tampaknya cukup sederhana, tetapi mengandung seluk-beluk rumit yang telah membingungkan para ilmuwan selama beberapa dekade – hingga sekarang.

Para peneliti dari Penn State, University of Texas di Austin, Iowa State University, Dow Chemical Company, dan DuPont Water Solutions telah menerbitkan temuan penting untuk memahami bagaimana sebenarnya membran menyaring mineral dari air, secara online hari ini (31 Desember). .) Di Ilmu. Artikel tersebut akan dimuat di sampul edisi cetak, besok (1 Januari).

“Meskipun telah digunakan selama bertahun-tahun, ada banyak hal yang tidak kita ketahui tentang cara kerja membran penyaringan air,” kata Enrique Gomez, profesor teknik kimia dan ilmu material dan teknik di Penn. Negara bagian, yang memimpin pencarian. “Kami telah menemukan bahwa cara mengontrol distribusi kerapatan membran itu sendiri pada skala nano sangat penting untuk kinerja produksi air.”

Dipimpin bersama oleh Manish Kumar, profesor di Departemen Teknik Sipil, Arsitektur dan Lingkungan di UT Austin, tim tersebut menggunakan mikroskop elektron multimodal, yang menggabungkan pencitraan skala atom terperinci dengan teknik yang mengungkap komposisi kimia, untuk menentukan bahwa membran desalinasi tidak konsisten dalam kepadatan dan massa. Para peneliti telah memetakan variasi kerapatan dalam film polimer dalam tiga dimensi dengan resolusi spasial sekitar satu nanometer – ini kurang dari setengah diameter a DNA filu. Menurut Gomez, kemajuan teknologi ini menjadi kunci untuk memahami peran kepadatan dalam membran.

“Anda dapat melihat bagaimana beberapa area lebih atau kurang padat dalam filter kopi hanya dengan mata Anda,” kata Gomez. “Dalam membran filtrasi, terlihat seperti itu juga, tetapi tidak pada skala nano, dan bagaimana Anda mengontrol distribusi massa itu sangat penting untuk kinerja filtrasi air.”

Ini mengejutkan, kata Gomez dan Kumar, karena sebelumnya diperkirakan semakin tebal membran, semakin sedikit produksi air. Filmtec, sekarang menjadi bagian dari DuPont Water Solutions, yang membuat banyak produk desalinasi, bermitra dengan para peneliti dan mendanai proyek tersebut karena ilmuwan internalnya menemukan bahwa membran yang lebih tebal ternyata lebih permeabel.

Para peneliti menemukan bahwa ketebalan tidak menjadi masalah sebanyak itu menghindari daerah skala nano yang sangat padat, atau “zona mati.” Dalam arti tertentu, kepadatan yang lebih konsisten di seluruh membran lebih penting daripada ketebalan untuk memaksimalkan produksi air, menurut Gomez.

Pemahaman ini dapat meningkatkan efisiensi membran sebesar 30% hingga 40%, menurut para peneliti, menghasilkan lebih banyak air yang disaring dengan lebih sedikit energi – peningkatan potensi penghematan biaya untuk proses desalinasi saat ini.

“Membran reverse osmosis sangat banyak digunakan untuk membersihkan air, tetapi masih banyak yang belum kita ketahui tentangnya,” kata Kumar. “Kami tidak bisa benar-benar mengatakan bagaimana air bergerak untuk mereka, jadi semua perbaikan selama 40 tahun terakhir pada dasarnya dilakukan dalam kegelapan.”

Membran reverse osmosis bekerja dengan memberikan tekanan dari satu sisi. Mineral tetap di sana saat air lewat. Meskipun lebih efisien daripada proses desalinasi tanpa membran, masih membutuhkan energi yang sangat besar, kata para peneliti, tetapi meningkatkan efisiensi membran dapat mengurangi bobot itu.

“Pengelolaan air tawar telah menjadi tantangan krusial di dunia,” kata Gomez. “Kekeringan, kekeringan – dengan meningkatnya pola iklim yang parah, masalah ini diperkirakan akan menjadi lebih signifikan. Ketersediaan air bersih sangat penting, terutama di daerah dengan sumber daya rendah. “

Tim terus mempelajari struktur membran, serta reaksi kimia yang terlibat dalam proses desalinasi. Mereka juga meneliti bagaimana mengembangkan membran terbaik untuk bahan tertentu, seperti membran yang berkelanjutan tetapi keras yang dapat mencegah pembentukan pertumbuhan bakteri.

“Kami terus mendorong teknik kami dengan lebih banyak bahan berkinerja tinggi dengan tujuan menjelaskan faktor-faktor penting dari penyaringan yang efisien,” kata Gomez.

Lebih lanjut tentang pencarian ini:

Referensi: “Kontrol skala nano dari homogenitas internal meningkatkan transportasi air di membran desalinasi” oleh Tyler E. Culp, Biswajit Khara, Kaitlyn P. Brickey, Michael Geitner, Tawanda J. Zimudzi, Jeffrey D. Wilbur , Steven D.Jons, Abhishek Roy, Mou Paul, Baskar Ganapathysubramanian, Andrew L. Zydney, Manish Kumar dan Enrique D. Gomez, 31 Desember 2020, Ilmu.
DOI: 10.1126 / science.abb8518

Kontributor lainnya termasuk penulis utama Tyler E. Culp, Kaitlyn P. Brickey, Michael Geitner dan Andrew Zydney, semuanya berafiliasi dengan Departemen Teknik Kimia Penn State; Biswajit Khara dan Baskar Ganapathysubramanian, keduanya dari Jurusan Teknik Mesin di Iowa State University; Tawanda J. Zimudzi dari Material Research Institute (MRI) di Penn State; Jeffrey D. Wilbur dan Steve Jons, keduanya dari DuPont Water Solutions; dan Abhishek Roy dan Mou Paul, keduanya dari Dow Chemical Company. Gomez juga berafiliasi dengan MRI. Pekerjaan mikroskopis dilakukan pada mikroskop elektron di Laboratorium Karakterisasi Bahan di RM. DuPont dan National Science Foundation mendanai penelitian tersebut.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

“Doodle Ringan” Nyata dalam Waktu Nyata

Para peneliti di Tokyo Metropolitan University telah merancang dan menerapkan algoritme yang disederhanakan untuk mengubah garis yang digambar secara bebas menjadi hologram pada CPU...

Teleskop Webb NASA menyertakan tabir surya seukuran lapangan tenis untuk perjalanan jutaan kilometer

Kedua wajah tabir surya James Webb Space Telescope dinaikkan secara vertikal untuk mempersiapkan pelipatan lapisan tabir surya. Kredit: NASA / Chris Gunn Insinyur bekerja...

Mineralogi Hangat Global Mengelola Pusat Perlindungan Kehidupan Batin

Tim lapangan DeMMO dari kiri ke kanan: Lily Momper, Brittany Kruger, dan Caitlin Casar mengambil sampel air yang meledak dari toilet DeMMO. Pendanaan:...

Genom manusia modern tertua, direkonstruksi menggunakan DNA tengkorak berusia 45 tahun

Tengkorak dari Gua Zlatyk dekat Praha ini adalah milik orang modern paling awal yang diketahui di Eropa. Penulis: Marek Jantach Tengkorak fosil seorang wanita...

Peralihan rahasia yang luar biasa terbuka yang dapat merevolusi pengobatan serangan jantung

Para peneliti di Victor Chang Institute for Heart Research di Sydney telah menemukan gen baru yang penting yang kami harap dapat membantu jantung manusia...

Newsletter

Subscribe to stay updated.