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

36 galaksi kerdil secara bersamaan memiliki “baby boom” bintang baru

Penemuan tak terduga Rutgers menantang teori modern tentang bagaimana galaksi tumbuh, dan dapat meningkatkan pemahaman kita tentang alam semesta. Penulis: Universitas Rutgers-New Brunswick Sungguh...

Banyak pasien dengan COVID-19 menghasilkan respons imun yang menyerang jaringan dan organ mereka sendiri.

Sebuah studi yang dipimpin oleh University of Birmingham, yang didanai oleh Konsorsium Imunologi Coronavirus Inggris, menemukan bahwa banyak pasien dengan COVID-19 menimbulkan respons kekebalan...

Sains mudah dibuat: apa itu neutrino steril?

Neutrino steril adalah jenis neutrino khusus yang telah diusulkan untuk menjelaskan beberapa hasil eksperimen yang tidak terduga, tetapi belum ditemukan secara pasti. Para...

Kekeringan jangka panjang mengambil alih AS bagian barat – Tanah dan tanaman berjatuhan

5 Juni 2021 Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda sebagian besar wilayah Amerika Serikat dari Pegunungan Rocky hingga Pantai Pasifik. Untuk tahun kedua berturut-turut, kekeringan melanda...

Energi matahari dan angin dapat meredakan konflik di sekitar bendungan Renaisans Ethiopia di timur laut Afrika

Megaplatinum terletak di Ethiopia, dekat perbatasan dengan Sudan. Ini adalah pembangkit listrik tenaga air terbesar di Afrika. Penulis: © Google Sebuah studi baru...

Newsletter

Subscribe to stay updated.