Kleine buisjes worden geleverd in grote verpakkingen

Op membraansystemen gebaseerde systemen hebben een groot potentieel als energiezuinige alternatieven in toepassingen zoals ontzilting, farmaceutische terugwinning, zuivering en afvalbehandeling.

Wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben de grootste defectvrije membranen gemaakt die tot nu toe zijn gerapporteerd en die de unieke massatransporteigenschappen van koolstofnanobuisjes als stroomkanalen volledig benutten. Dit werk is onlangs online gepubliceerd in Geavanceerde wetenschap.

Chemisch robuuste materialen die selectief moleculen met een hoge snelheid transporteren, zijn essentieel voor de ontwikkeling van geavanceerde membraansystemen die de modernste producten overtreffen. Koolstofnanobuisjes – volledig koolstofkanalen die meer dan 50.000 keer dunner zijn dan een mensenhaar – behoren tot deze klasse van veelbelovende membraanbouwstenen. In tegenstelling tot conventionele poreuze materialen, zorgen deze kleine kanaaltjes voor een uitzonderlijk snelle gas- en vloeistofstroom die nog sneller wordt naarmate de buizen kleiner worden

Om de meeste voordelen van deze buitengewone materialen te plukken, is het van cruciaal belang om de dichtheid van open koolstofnanobuisjes over het membraan te maximaliseren. Onderzoekers van LLNL kweekten enkelwandige nanobuisjes met hoge dichtheid op 4-inch siliciumwafels en gebruikten ze om membranen te maken met uitzonderlijke transporteigenschappen op schaal.

“Het opschalen van membranen van koolstofnanobuisjes zonder lekken te introduceren is geen sinecure”, zegt hoofdauteur en postdoctoraal onderzoeker van LLNL Melinda Jue. “We controleren en karakteriseren onze membranen rigoureus om ervoor te zorgen dat ze defectvrij zijn, voordat we ze gebruiken om de stroomverbetering nauwkeurig te meten.”

Er zijn 10 keer meer geleidende nanobuisjes in deze membranen met een groot oppervlak dan voorheen.

“Door een hoge dichtheid van koolstofnanobuisjes te gebruiken als transportroutes, zijn we in staat om membranen te maken die 6.200 keer meer waterdoorlatend zijn dan voorspeld door de theorie en een waterstroom hebben die tot 10 keer groter is dan in de handel verkrijgbare membranen met een vergelijkbare poriegrootte,” zei Francesco Fornasiero, de LLNL-wetenschapper die het project leidt.

Samen met het kwantificeren van de transportverbetering mogelijk gemaakt door koolstofnanobuisjes, onderzocht het onderzoeksteam het nanofiltratievermogen van deze koolstofnanobuismembranen met een groot oppervlak.

“Je zou je kunnen voorstellen dat je deze membranen zou gebruiken om zeer zoute oplossingen efficiënt te scheiden waar je het zout wilt verwijderen terwijl je de waardevollere component concentreert,” zei Jue.

Vermindering van de prestaties door vervuiling is een groot obstakel bij het wijdverbreide gebruik van membraantechnologieën, en om de effecten ervan tegen te gaan, moeten de membranen met agressieve chemicaliën worden behandeld. De robuuste aard van koolstofnanobuisjes en de polymeermatrix leidt ook tot een uitstekende chemische stabiliteit, waardoor de membranen gemakkelijk kunnen worden gereinigd. “Als het membraan vuil wordt, kun je het met bleekmiddel reinigen zonder je zorgen te hoeven maken over degradatie, zoals bij typische polymeermembranen,” zei Jue.