Durchbruch in der Entsalzung: Maximaler Durchfluss für kostengünstigere Wasserfiltration

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Die Natur hat herausgefunden, wie man großartige Membranen herstellt.
Biologische Membranen lassen das richtige Zeug in die Zellen und halten das falsche Zeug draußen.

Und, wie Forscher in einer gerade in der Zeitschrift Science veröffentlichten Arbeit feststellen, sind sie bemerkenswert und ideal für ihre Aufgabe.
Aber sie sind nicht unbedingt ideal für großvolumige, industrielle Aufgaben, wie z. B. Salzwasser durch eine Membran zu drücken, um Salz zu entfernen und frisches Wasser zum Trinken, zur Bewässerung von Pflanzen, zum Tränken von Vieh oder zur Energieerzeugung zu gewinnen.

Können wir von diesen hochleistungsfähigen biologischen Membranen lernen? Können wir die homogenen Designstrategien der Natur auf hergestellte Polymermembranen anwenden? Können wir quantifizieren, warum einige dieser industriellen Membranen besser funktionieren als andere?
Forscher der Iowa State University, der Penn State University, der University of Texas in Austin, von DuPont Water Solutions und Dow Chemical Co. haben unter der Leitung von Enrique Gomez von der Penn State University und Manish Kumar aus Texas mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie und 3D-Computermodellierung nach Antworten gesucht.
Baskar Ganapathysubramanian von der Iowa State University, der Joseph C. und Elizabeth A.

Anderlik Professor in Engineering aus dem Fachbereich Maschinenbau, und Biswajit Khara, Doktorand im Fachbereich Maschinenbau, trugen mit ihrer Expertise in angewandter Mathematik, Hochleistungsrechnen und 3D-Modellierung zu dem Projekt bei.
Die Forscher fanden heraus, dass die Schaffung einer gleichmäßigen Membrandichte bis in den Nanobereich von Milliardstel Metern entscheidend für die Maximierung der Leistung von Umkehrosmose- und Wasserfiltrationsmembranen ist.

Ihre Entdeckung wurde soeben online in der Zeitschrift Science veröffentlicht und wird das Titelblatt der Printausgabe vom 1. Januar 2021 sein.
Die Ingenieure der Iowa State arbeiteten mit den Transmissionselektronenmikroskop-Messungen von vier verschiedenen Polymermembranen, die für die Wasserentsalzung verwendet werden, und sagten den Wasserfluss durch 3D-Modelle der Membranen voraus, was eine detaillierte vergleichende Analyse ermöglichte, warum einige Membranen besser abschnitten als andere.
“Die Simulationen konnten herausfinden, dass Membranen, die gleichmäßiger sind – die keine ‘Hot Spots’ haben – einen gleichmäßigen Fluss und eine bessere Leistung haben”, sagte Ganapathysubramanian. “Die geheime Zutat ist weniger Inhomogenität.”
Werfen Sie einen Blick auf das Titelbild von Science, das die Iowa State-Forscher mit Unterstützung des Texas Advanced Computing Center erstellt haben, so Khara: Das Rot oberhalb der Membran zeigt Wasser unter höherem Druck und mit höherer Salzkonzentration; die goldene, körnige, schwammartige Struktur in der Mitte zeigt dichtere und weniger dichte Bereiche innerhalb der salzstoppenden Membran; die silbernen Kanäle zeigen, wie das Wasser hindurchfließt; und das Blau am unteren Rand zeigt Wasser unter niedrigerem Druck und mit geringerer Salzkonzentration.
“Man kann eine große Menge an Variationen in den Fließeigenschaften innerhalb der 3D-Membranen sehen”, sagte Khara.
Am aufschlussreichsten sind die silbernen Linien, die zeigen, wie sich Wasser um dichte Stellen in der Membran bewegt.
“Wir zeigen, wie sich die Wasserkonzentration in der Membran verändert.” Ganapathysubramanian sagte über die Modelle, die High-Performance-Computing zur Lösung benötigten. “Das ist wunderbar.

Es wurde vorher nicht gemacht, weil solch detaillierte 3D-Messungen nicht verfügbar waren, und auch, weil solche Simulationen nicht trivial durchzuführen sind.”
Khara fügte hinzu: “Die Simulationen selbst stellten eine rechnerische Herausforderung dar, da die Diffusivität innerhalb einer inhomogenen Membran um sechs Größenordnungen variieren kann.”
Der Schlüssel zu besseren Entsalzungsmembranen liegt also darin, herauszufinden, wie man die Dichten der hergestellten Membranen in sehr kleinen Maßstäben messen und kontrollieren kann, so die Schlussfolgerung der Studie. Fertigungsingenieure und Materialwissenschaftler müssen die Dichte in der gesamten Membran gleichmäßig gestalten und so den Wasserfluss fördern, ohne die Salzentfernung zu beeinträchtigen.
Dies ist ein weiteres Beispiel für die rechnerische Arbeit von Ganapathysubramanians Labor, die dabei hilft, ein sehr grundlegendes und doch praktisches Problem zu lösen.
“Diese Simulationen lieferten eine Menge Informationen, um den Schlüssel zu finden, um Entsalzungsmembranen viel effektiver zu machen”, sagt Ganapathysubramanian, dessen Arbeit an dem Projekt teilweise durch zwei Stipendien der National Science Foundation unterstützt wurde.
Referenz: 31. Dezember 2020, Science.
DOI: 10.1126/science.abb8518
Das Projekt wurde von Enrique Gomez, einem Professor für Chemieingenieurwesen und Materialwissenschaft und -technik an der Penn State University, und Manish Kumar, einem außerordentlichen Professor für Bau-, Architektur- und Umwelttechnik an der University of Texas in Austin, geleitet.
Außerdem von der Iowa State University: Biswajit Khara, Baskar Ganapathysubramanian; von der Penn State: Tyler Culp, Kaitlyn Brickey, Michael Geitner, Tawanda Zimudzi, Andrew Zydney; von DuPont Water Solutions: Jeffrey Wilbur, Steve Jons; und von Dow Chemical Co: Abhishek Roy, Mou Paul.

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