Avsaltning gjort enklare

Att få tillgång till dricksvatten är en daglig utmaning för mer än en miljard människor i världen. Avsaltning kan hjälpa till att lindra sådana vattenstressade befolkningar genom att filtrera salt från rikligt med havsvatten, och det finns mer än 7 000 avsaltningsanläggningar världen över, varav 250 är verksamma bara i USA. Men membranen som dessa växter använder för att filtrera bort salt tenderar att brytas ner när de utsätts för en viktig ingrediens i processen: klor.

Effektivisera avsaltning: Forskaren Ho Bum Park har två prover av det klortoleranta avsaltningsmembranet. Den till vänster är en tiondels mikrometer tjock och är gjord av ett poröst stöd med en tunn beläggning av membranet. Det blå membranet är cirka 50 mikrometer tjockt.

Nu har forskare vid University of Texas i Austin (UT Austin) och Virginia Polytechnic Institute konstruerat ett klortolerant membran som filtrerar bort salt lika bra som många kommersiella membran. Forskarna säger att ett sådant membran skulle eliminera dyra steg i avsaltningsprocessen och så småningom användas för att filtrera ut salt ur havsvatten. Resultaten av deras studie visas i det senaste numret av tidskriften tillämpad kemi .

De flesta avsaltningsanläggningar använder idag polyamidmembran för att effektivt separera salt från havsvatten. Eftersom havsvatten hyser en mängd olika organismer som kan bilda en tjock film över membran och täppa till filtret, använder växter klor för att desinficera inkommande vatten innan det skickas genom membran. Problemet är att dessa membran bryts ned efter kontinuerlig klorexponering. Så avsaltningsindustrin lade till ytterligare ett steg, att snabbt avklorera vatten efter att det har behandlats med klor och innan det rinner igenom membranet. När vattnet har avsaltats tillsätts klor igen innan vattnet kommer in i dricksvattenförsörjningen.

Benny Freeman , en professor i kemiteknik vid UT Austin, säger att ett klortolerant membran kan bidra till att avsevärt effektivisera avsaltningsprocessen. Freeman och James McGrath , en professor i kemi vid Virginia Polytechnic Institute, konstruerade ett vattenfiltrerande membran som tål upprepade exponeringar av klor.

Det nya membranet är tillverkat av polysulfon, en svavelhaltig termoplast som är mycket resistent mot klor. Tidigare forskare har försökt designa klor-toleranta membran med polysulfon men har försvårats eftersom materialet är extremt hydrofobt och inte lätt släpper igenom vatten. Forskare har försökt att kemiskt förändra polymerens sammansättning genom att lägga till hydrofila eller vattenattraherande föreningar. Men timing är allt, och Freeman säger att när forskare lägger till sådana föreningar efter att de har syntetiserat polymeren, så bryter du så småningom ryggraden i polymerkedjan ... till den punkt där det inte är användbart.

Istället lade Freeman och McGrath till två hydrofila, laddade sulfonsyragrupper under polymerisationsprocessen och fann att de kunde syntetisera en hållbar och reproducerbar polymer. De utförde sedan en mängd olika experiment för att mäta materialets förmåga att tolerera klor och filtrera bort salt, jämfört med kommersiella membran.

Först genomförde teamet saltpermeabilitetstester, som mätte mängden salt som passerar genom ett membran under en viss tid. Ju mindre salt som finns i det filtrerade vattnet, desto bättre. Freeman och McGrath fann att det nya membranet presterade lika bra som många kommersiella membran när det gällde att filtrera bort vatten med låg till medelhög salthalt. För saltare prover jämförbara med havsvatten var lagets membran något mindre permeabelt.

Vi har material som är konkurrenskraftiga idag med befintlig nanofiltrering och några av bräckvattenmembranen, säger Freeman. Vi driver nu på kemin för att komma längre in i havsvattenområdet, vilket är en betydande marknad vi skulle vilja komma åt.

Forskarna testade också polymerens klorkänslighet. De fann att efter exponering för koncentrerade lösningar av klor i mer än 35 timmar, hade det nya membranet liten förändring i sammansättning, jämfört med kommersiella polyamidmembran, som äts bort av klor.

För närvarande manipulerar Freeman och hans kollegor polymerkompositionen ytterligare för att försöka finjustera olika egenskaper, i hopp om att designa ett mer selektivt och klorbeständigt membran. De för också samtal med en ledande tillverkare av avsaltningsmembran, med målet att få ut det nya membranet på marknaden.

Dessa membran kan representera en rimlig väg till kommersialisering, säger Freeman. Om vi ​​lyckas kommer vi att ha möjligheten att i princip tillverka dessa membran på samma utrustning som människor använder idag.

Erik Hoek , en biträdande professor i civil- och miljöteknik vid University of California, Los Angeles, arbetar med att konstruera nya avsaltningsmembran vid California Nanosystems Institute. Han säger att det klortoleranta membranet som utvecklats av Freemans team kan vara ett lovande alternativ till dagens industriella motsvarigheter.

Detta arbete är bland den mest innovativa och intressanta forskningen om membranmaterial under det senaste decenniet, säger Hoek. Även om klortoleransen som dessa membran uppvisar är imponerande, är den grundläggande separationsprestandan ännu inte där den behöver vara för att dessa material ska kunna utses som omedelbara ersättningar för kommersiell havsvattenmembranteknologi.

Dölj