Zeer kleine poriën maken een groot verschil in filtertechnologie

Van nanoporeuze membranen is aangetoond dat ze waardevolle hulpmiddelen zijn voor het filteren van onzuiverheden uit water en voor tal van andere toepassingen. Er moet echter nog veel werk worden verzet om hun ontwerpen te perfectioneren. Onlangs heeft het laboratorium van prof. Amir Haji-Akbari aangetoond dat precies waar de gaatjes van nanogrootte op het membraan worden geplaatst, een groot verschil kan maken. De resultaten zijn gepubliceerd in ACS Nano.

De afgelopen jaren zijn nanoporeuze membranen gemaakt van grafeen, polymeren, silicium en andere materialen met succes gebruikt voor het scheiden van gas, het ontzilten van water, virusfiltratie, energieopwekking, gasopslag en medicijnafgifte. Het is echter lastig gebleken om membranen te creëren die alle juiste moleculen doorlaten en de ongewenste moleculen buiten houden.

Voor het ontzilten van water is het bijvoorbeeld van cruciaal belang dat het membraan een hoge waterdoorlaatbaarheid heeft en tegelijkertijd kleine ionische en moleculaire opgeloste stoffen en andere onzuiverheden voldoende tegenhoudt. Maar onderzoekers hebben ontdekt dat het verbeteren van de permeabiliteit van een membraan vaak de selectiviteit ervan in gevaar brengt, en omgekeerd.

Eén veelbelovende aanpak is het optimaliseren van de chemie en geometrie van geïsoleerde nanoporiën om de gewenste permeabiliteit en selectiviteit te bereiken, en om zoveel mogelijk van die poriën in een nanoporeus membraan te plaatsen. Hoe aangrenzende poriën elkaar precies beïnvloeden, is echter onduidelijk.

Op nanoschaal kunnen moleculen die interageren met poriewanden gedrag vertonen dat conventionele theorieën tart. Het Haji-Akbari-lab onderzocht of ze innovatieve membraansystemen met verhoogde precisie en efficiëntie konden ontwerpen door de nanoporiën te verfijnen.

Met computersimulaties ontdekte het onderzoeksteam van Haji-Akbari dat de nabijheid tussen poriën op nanoschaal een schadelijke invloed kan hebben op de waterdoorlaatbaarheid en de zoutafstoting. Concreet creëerden ze simulaties van membranen met verschillende patronen van porieplaatsing, waaronder een hexagonaal rooster en een honingraatrooster. Wat ze ontdekten was dat het hexagonale patroon, dat een grotere afstand tussen de poriën mogelijk maakte, een grotere permeabiliteit/selectiviteit had dan het membraan met het honingraatpatroon.

Deze effecten wijken af ​​van gevestigde theorieën, zei Haji-Akbari.

“Deze veronderstelling dat de porieweerstand onafhankelijk is van de nabijheid van de porie is niet correct”, zegt Haji-Akbari, assistent-professor chemische en milieutechniek. “Het hangt duidelijk af van de nabijheid.”

Hun bevindingen werpen inzicht op hoe deze effecten de bewegingen van bepaalde ionen door membranen versnellen, terwijl ze ervoor zorgen dat andere ionen vertragen. Verder kan het bijdragen aan betere ontwerpen van nanoporeuze membranen voor verbeterde scheidingsprocessen zoals waterontzilting en andere toepassingen.