Naar verbeterde ontzilting: het karakteriseren van membranen in natte versus droge toestanden onthult dramatische verschillen

Een gezamenlijk onderzoek door onderzoekers van het Technion Israel Institute of Technology en de Universiteit van Texas in Austin werpt nieuw licht op de structuur van membranen die worden gebruikt bij de ontzilting van water. Gepubliceerd in ACS nanode studie werd geselecteerd als het omslagartikel van het Journal.

In tegenstelling tot eerdere studies, die zich richtten op het karakteriseren van membranen in hun droge toestand, analyseerde dit onderzoek ze ook in hun natte toestand – en vond dramatische verschillen tussen de twee. Deze verschillen beïnvloeden de membraanprestaties, waardoor deze ontdekking zeer relevant is voor de ontwikkeling van effectievere membranen voor ontzilting en waterzuivering.

De studie werd geleid door Dr. Tamar Segal-Peretz van de Wolfson-faculteit Chemical Engineering, Dr. Guy Ramon van de faculteit Civil and Environmental Engineering en Prof. Manish Kumar van de Universiteit van Texas in Austin, samen met Ph.D. Student Chenhao Yao (Universiteit van Texas) en Dr. Adi Ben-Zvi, die het onderzoek uitvoerden tijdens haar doctoraatsstudies in het Nanoscience and Nanotechnology Program van de Technion. Dr. Ben-Zvi is nu postdoctoraal onderzoeker aan de Rice University in Houston, Texas.

Volgens de Wereldgezondheidsorganisatie mist ongeveer een kwart van de wereldbevolking toegang tot veilig drinkwater. Schoon water is opgenomen in de 17 duurzame ontwikkelingsdoelen van de Verenigde Naties (SDG’s), waardoor ontzilting en technologieën voor het hergebruik van water vooral belangrijk zijn – met name in droge regio’s zoals Israël, een wereldwijde leider op beide gebieden. Tegenwoordig bieden de vijf ontziltingsinstallaties van Israël ongeveer 70% van de binnenlandse watervoorziening van het land. Bovendien wordt ongeveer 85% van het afvalwater behandeld en hergebruikt voor agrarische doeleinden.

Omgekeerde osmose is momenteel de meest voorkomende ontziltingstechnologie. In de meest basale termen houdt het proces in dat water door een membraan gaat dat zouten en andere onzuiverheden blokkeert. Bij natuurlijke osmose stroomt water van een verdunde oplossing naar een meer geconcentreerde totdat de concentraties gelijk maken.

Omgekeerde osmose keert daarentegen deze stroom om met behulp van energie, waardoor water uit de geconcentreerde oplossing (bijv. Zeewater) in de verdunde (ontzilt water) wordt getrokken. Dit proces maakt de productie van zoet water uit onconventionele bronnen zoals zeewater, brak water en afvalwater mogelijk.

Hoewel omgekeerde osmosemembranen centraal staat in moderne ontzilting, blijven er significante kennislacunes over het verband tussen membraanstructuur en functie. De uitdaging komt voort uit de extreem dunne (ongeveer 200 nanometers) van de membranen en complexe 3D -structuur, die moeilijk te karakteriseren is met behulp van traditionele methoden, zoals atomaire krachtmicroscopie (AFM).

In deze studie voerden de onderzoekers een 3D-mapping met hoge resolutie uit van de morfologie van het membraan in een waterverzadigde toestand-voorwaarden die die in werkelijke omgekeerde osmoseprocessen nauw nabootsen. De 3D-karakterisering werd uitgevoerd met behulp van cryogene transmissie-elektronenmicroscopie (cryo-TEM) tomografie, in omstandigheden waarin het membraan volledig gehydrateerd en bevroren is.

Het team ontdekte dat water de structuur van het membraan dramatisch verandert, waardoor het volume met ongeveer 30% of meer uitzet. Aangezien de karakterisering van de membraan TEM eerder alleen is gebaseerd op hun droge toestand, is dit een belangrijke wetenschappelijke en praktische doorbraak. De nieuwe nanometrische mapping zal naar verwachting het toekomstige membraanontwerp en prestaties aanzienlijk verbeteren, de ontzilting en technologieën voor het hergebruik van water.