Koolstofnanobuisjes ontwikkeld voor superefficiënte ontzilting

Membraanscheidingen zijn cruciaal geworden voor het menselijk bestaan, met geen beter voorbeeld dan waterzuivering. Naarmate waterschaarste steeds vaker voorkomt en gemeenschappen zonder goedkoop beschikbaar water beginnen te raken, moeten ze hun voorraden aanvullen met ontzilt water uit zeewater en brakwaterbronnen.

Onderzoekers van het Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) hebben poriën van koolstofnanobuisjes (CNT) gemaakt die zo efficiënt zijn in het verwijderen van zout uit water dat ze vergelijkbaar zijn met commerciële ontziltingsmembranen. Deze kleine poriën hebben een diameter van slechts 0,8 nanometer (nm). Ter vergelijking: een mensenhaar is 60.000 nm breed. Het onderzoek verschijnt op de omslag van het nummer van 18 september van het tijdschrift Science Advances.

De dominante technologie voor het verwijderen van zout uit water, omgekeerde osmose, maakt gebruik van dunne-film composiet (TFC) membranen om water te scheiden van de ionen die aanwezig zijn in zoute voedingsstromen. Er blijven echter enkele fundamentele prestatieproblemen bestaan. TFC-membranen worden bijvoorbeeld beperkt door de wisselwerking tussen permeabiliteit en selectiviteit en hebben vaak onvoldoende afstoting van sommige ionen en sporen van microverontreinigingen, waardoor extra zuiveringsstappen nodig zijn die de energie en de kosten verhogen.

Biologische waterkanalen, ook bekend als aquaporines, vormen een blauwdruk voor de structuren die betere prestaties zouden kunnen bieden. Ze hebben een extreem smalle binnenporie die water naar beneden perst tot een configuratie met één bestand die een extreem hoge waterdoorlatendheid mogelijk maakt, met transportsnelheden van meer dan 1 miljard watermoleculen per seconde door elke porie.

“Koolstofnanobuisjes vertegenwoordigen enkele van de meest veelbelovende steigerstructuren voor kunstmatige waterkanalen vanwege de lage wrijving van water op hun gladde binnenoppervlakken, die de biologische waterkanalen nabootsen”, zegt Alex Noy, chemicus van LLNL en een van de belangrijkste medeauteurs van het verslag doen van.

Het team ontwikkelde CNT-porines (CNTP’s) – korte segmenten van CNT’s die zelf worden ingebracht in biomimetische membranen – die kunstmatige waterkanalen vormen die de functionaliteit van aquaporinekanalen nabootsen en een enkele waterrangschikking binnen het kanaal. Onderzoekers maten vervolgens het transport van water en chloride-ionen door CNTP’s met een diameter van 0,8 nm met behulp van op fluorescentie gebaseerde assays. Computersimulaties en experimenten met CNT-poriën in lipidemembranen toonden het mechanisme aan voor verbeterde doorstroming en sterke ionenafwijzing door binnenste kanalen van koolstofnanobuisjes.

“Dit proces stelde ons in staat om de nauwkeurige waarde van water-zoutpermselectiviteit in nauwe CNT-poriën te bepalen”, aldus LLNL-materiaalwetenschapper en hoofdco-auteur Tuan Anh Pham, die de simulatie-inspanningen van het onderzoek leidde. “Atomistische simulaties geven een gedetailleerd beeld op moleculaire schaal van water dat de CNTP-kanalen binnendringt en ondersteunen de activeringsenergiewaarden.”