Mangaan nanodeeltjes kunnen de beschikbaarheid van drinkwater wereldwijd meer dan verdubbelen, zeggen wetenschappers

Volgens wetenschappers kunnen mangaanferriet-nanodeeltjes de beschikbaarheid van drinkwater wereldwijd aanzienlijk vergroten als ze worden gebruikt om de filterplaten aan te passen die momenteel in waterzuiveringsinstallaties worden gebruikt.

“Onze studie registreert enkele buitengewone resultaten. Het best presterende membraan, dat 2 wt.% composietmateriaal bevat, behaalde een waterstroom van 351,4 LMH, wat 2,6 keer hoger is dan de ongerepte PES-membranen,” aldus medeauteur van de studie Dr. Ismail Almanassra, een onderzoeksmedewerker aan het Institute for Science and Engineering van de Universiteit van Sharjah.

PES- of polyethersulfonmembranen zijn van vitaal belang voor waterzuiveringsinstallaties, omdat ze fungeren als barrières die drinkwater doorlaten en voorkomen dat ongewenste stoffen erdoorheen komen. Ze filteren zouten, onzuiverheden en andere ongewenste deeltjes uit water.

“Het belang van dit project ligt in de potentie om waterzuiveringsprocessen te revolutioneren en op grote schaal technologische, economische, milieu- en gezondheidsvoordelen te bieden”, aldus Dr. Almanassra.

De studie, gepubliceerd in de Tijdschrift voor membraanwetenschaptoont aan dat de wetenschappers “UF-membranen met een superieure waterstroom en afstotingssnelheid” hebben ontwikkeld en dat ze de belangrijkste inefficiënties in de huidige waterzuiveringsmethoden kunnen aanpakken.

“Het project beperkt biofouling effectief, verlaagt de onderhouds- en operationele kosten en draagt ​​bij aan de duurzaamheid van het milieu door efficiënter waterbeheer”, aldus Dr. Almanassra.

UF- of ultrafiltratiemembranen worden wereldwijd veel gebruikt in waterzuiveringsinstallaties. Ze worden eveneens conventioneel en typisch gebruikt in ontziltingsprojecten, evenals grondwatervoorbehandeling, voedselverwerking, industriële chemische scheiding en afvalwaterbehandeling.

UF-membranen werken ook als een barrière om endotoxinen, virussen en andere vaste stoffen en pathogenen te suspenderen om drinkwater te produceren met een hoge zuiverheid en lage dichtheid van slib. Ze zijn meestal gemaakt van polymere materialen of keramiek.

Dr. Almanassra zei dat waterzuiverings- en ontziltingsinstallaties momenteel met verschillende uitdagingen te maken hebben, “vooral tijdens de voorbehandelingsfase, waarbij op polymeren gebaseerde ultrafiltratiemembranen (UF) worden gebruikt voor decontaminatie.

“Een groot probleem is biofouling, waarbij biologische materialen zich ophopen op het membraanoppervlak en een negatieve invloed hebben op de permeaatstroom en de waterkwaliteit.”

Biofouling heeft een negatieve invloed op de efficiëntie en duurzaamheid van UF-membranen die worden gebruikt in waterzuiveringsinstallaties. Het wordt veroorzaakt door micro-organismen die het water vervuilen en besmetten, de productie van drinkwater verlagen en membraanoppervlakken bedekken, blokkeren of beschadigen.

Dit is een probleem waar operationele ingenieurs nog steeds mee worstelen. Om dit aan te pakken, zoeken ze meestal naar twee oplossingen. In de eerste verhogen ze de operationele druk op FU-membranen om de permeabiliteit en waterproductie te behouden. In de tweede worden ze gedwongen om de biofouled membranen regelmatig te vervangen.

De auteurs van de studie tonen echter aan dat beide oplossingen leiden tot hogere operationele en onderhoudskosten. Als onderzoekers met diverse achtergronden werken ze aan het innoveren en ontwikkelen van UF-membranen door hydrofiele materialen te integreren om biofouling effectief aan te pakken en de kosten op de lange termijn te verlagen.

“Deze aanpak verbetert niet alleen de permeaatstroom en de verwijderingssnelheid van verontreinigingen, maar vermindert ook aanzienlijk de impact van biofouling op de lange termijn, wat leidt tot efficiëntere en kosteneffectievere oplossingen voor waterbehandeling”, aldus Dr. Almanassra.

De innovatie van de wetenschappers ligt in hun succes bij het modificeren van 2D grafietkoolstofnitride met mangaanferriet nanodeeltjes om te worden gebruikt als nanovullers voor PES UF-membranen. De membranen werden vervaardigd met verschillende massaladingen van het additief variërend tussen 0,5 en 3 gew.%, via de fase-inversiemethode.

Voorafgaand aan het testen en evalueren werden deze films gekarakteriseerd met behulp van verschillende technieken om hun morfologie, oppervlakteruwheid, fysiochemische en mechanische eigenschappen te bestuderen. Hierna werden de membranen getest met vervuilingsmiddelen waarvan bekend is dat ze na verloop van tijd vervuiling veroorzaken.

“Wat betreft afstoting en anti-fouling capaciteit, excelleerde ons membraan, waarbij het meer dan 95% van HA en BSA afstootte. Indrukwekkend genoeg behield het membraan zelfs na hydraulisch wassen een recovery ratio van meer dan 88%.

“De integratie van hydrofiele materialen markeert een significante vooruitgang in materiaalkunde, met potentiële toepassingen buiten waterzuivering. Uiteindelijk verbetert dit project de volksgezondheid door schoner, veiliger water te leveren en biedt het schaalbare oplossingen voor wereldwijde waterschaarste en vervuilingsproblemen.”