Penemuan Desalinasi Memaksimalkan Aliran untuk Filtrasi Air Jernih

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

Alam telah memahami cara membuat selaput besar.

Selaput biologis meninggalkan hal-hal yang benar di dalam sel sambil menjaga hal-hal yang salah. Dan, seperti yang diamati para peneliti dalam artikel yang baru saja diterbitkan oleh jurnal Ilmu, Luar biasa dan ideal untuk pekerjaan mereka.

Tapi mereka tidak selalu ideal untuk keperluan industri bervolume tinggi seperti mendorong air garam melalui membran untuk menghilangkan garam dan membuat air tawar untuk diminum, mengairi tanaman, mengairi ternak atau menciptakan energi.

Bisakah kita belajar dari membran biologis berkinerja tinggi itu? Bisakah kita menerapkan strategi desain alam yang homogen pada membran polimerik yang diproduksi? Bisakah kita menghitung apa yang membuat beberapa membran industri ini berperilaku lebih baik daripada yang lain?

Peneliti di Iowa State University, Penn State University, University of Texas di Austin, DuPont Water Solutions dan Dow Chemical Co. – dipimpin oleh Enrique Gomez dari Penn State dan Manish Kumar dari Texas – menggunakan mikroskop elektron transmisi dan pemodelan komputasi 3D untuk respons.

Baskar Ganapathysubramanian dari Iowa State, Joseph C. dan Elizabeth A. Anderlik Profesor Teknik dari Departemen Teknik Mesin, dan Biswajit Khara, mahasiswa PhD di bidang teknik mesin, telah menyumbangkan keahliannya dalam matematika terapan, komputasi kinerja tinggi dan proyek pemodelan 3D.

Para peneliti telah menemukan bahwa penciptaan kerapatan membran yang seragam hingga skala nano miliaran meter sangat penting untuk memaksimalkan kinerja osmosis balik, membran penyaringan air. Penemuannya dipublikasikan secara online oleh jurnal tersebut Ilmu dan akan menjadi surat lamaran edisi 1 Januari 2021 yang dicetak.

Bekerja dengan pengukuran di mikroskop elektron transmisi Penn State dari empat membran polimerik berbeda yang digunakan untuk desalinasi air, insinyur Iowa State memperkirakan aliran air melalui model 3D dari membran, memungkinkan analisis komparatif terperinci tentang mengapa beberapa membran berkinerja lebih baik daripada yang lain.

“Simulasi dapat menunjukkan bahwa membran yang lebih seragam – yang tidak memiliki ‘titik panas’ – memiliki aliran seragam dan kinerja yang lebih baik,” kata Ganapathysubramanian. “Bahan rahasianya tidak terlalu tidak manusiawi.”

Lihat saja Ilmu Gambar sampul yang dibuat para peneliti Iowa State dengan bantuan Texas Advanced Computing Center, mengatakan Khara: Warna merah di atas membran menunjukkan air di bawah tekanan yang lebih tinggi dan dengan konsentrasi yang lebih tinggi. tinggi garam; struktur emas, butiran, seperti spons di tengahnya menunjukkan area yang lebih padat dan kurang padat di membran penahan garam; saluran perak menunjukkan bagaimana air mengalir; dan biru di bagian bawah menunjukkan air di bawah tekanan rendah dan dengan konsentrasi garam lebih rendah.

“Anda dapat melihat variasi yang sangat besar dalam karakteristik aliran dalam membran 3D,” kata Khara.

Yang paling menonjol adalah garis perak yang menunjukkan air bergerak di sekitar titik padat di membran.

“Kami telah menunjukkan bagaimana konsentrasi air berubah di membran.” Ganapathysubramanian mengatakan model yang mereka butuhkan komputasi kinerja tinggi untuk menyelesaikannya. “Cantiknya.” Itu belum pernah dilakukan sebelumnya karena pengukuran 3D yang rinci seperti itu tidak tersedia, dan juga karena simulasi semacam itu tidak sepele untuk dilakukan ”.

Khara menambahkan: “Simulasi itu sendiri menimbulkan tantangan komputasi, karena difusivitas dalam membran yang tidak homogen dapat berbeda dengan enam kali lipat.”

Dengan demikian, jurnal tersebut menyimpulkan, kunci untuk membran desalinasi yang lebih baik adalah menghitung cara mengukur dan mengontrol kepadatan membran yang diproduksi dalam skala yang sangat kecil. Insinyur manufaktur dan ilmuwan material perlu membuat kerapatan seragam di seluruh membran, sehingga meningkatkan aliran air tanpa mengorbankan pembuangan garam.

Ini adalah satu lagi contoh kerja komputasi dari laboratorium Ganapathysubramanian yang membantu memecahkan masalah yang sangat mendasar tetapi praktis.

“Simulasi ini telah memberikan banyak informasi untuk memahami kunci untuk membuat membran desalinasi jauh lebih efektif,” kata Ganapathysubramanian, yang pekerjaannya pada proyek tersebut sebagian didukung oleh dua hibah dari National Science Foundation.

Referensi: 31 Desember 2020, Ilmu.
DOI: 10.1126 / science.abb8518

Proyek ini dipimpin oleh Enrique Gomez, profesor teknik kimia dan sains serta teknik material di Penn State University, dan Manish Kumar, profesor teknik sipil, arsitektur, dan lingkungan di University of Texas di Austin.

Juga dari Iowa State University: Biswajit Khara, Baskar Ganapathysubramanian; dari Penn State: Tyler Culp, Kaitlyn Brickey, Michael Geitner, Tawanda Zimudzi, Andrew Zydney; dari DuPont Water Solutions: Jeffrey Wilbur, Steve Jons; dari Dow Chemical Co.: Abhishek Roy, Mou Paul.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Skrining sinar-X mengidentifikasi obat yang menjanjikan untuk pengobatan COVID-19

Sebuah tim peneliti, termasuk ilmuwan MPSD, telah mengidentifikasi beberapa kandidat untuk melawan obat tersebut SARS-CoV-2 coronavirus menggunakan sumber cahaya sinar-X PETRA III di German...

Teori konspirasi memengaruhi perilaku kita – bahkan jika kita tidak mempercayainya!

Paling tidak karena COVID-19 pandemi, teori konspirasi lebih relevan dari sebelumnya. Mereka diberitakan dan didiskusikan di hampir semua media dan komunikasi. Tapi...

“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:...

Newsletter

Subscribe to stay updated.