• Home
  • Kemi
  • Astronomien
  • Energi
  • Naturen
  • Biologi
  • Fysik
  • Elektronik
  •  science >> Vetenskap >  >> Kemi
    Att filtrera vätskor med vätskor sparar el

    Kredit:CC0 Public Domain

    Filtrering och behandling av vatten, både för mänsklig konsumtion och för att rena industriellt och kommunalt avloppsvatten, står för cirka 13 % av all el som konsumeras i USA varje år och släpper ut cirka 290 miljoner ton koldioxid 2 ut i atmosfären årligen – ungefär lika med den sammanlagda vikten av varje människa på jorden.

    En av de vanligaste metoderna för att bearbeta vatten är att passera det genom ett membran med porer som är dimensionerade för att filtrera bort partiklar som är större än vattenmolekyler. Dock, dessa membran är känsliga för "nedsmutsning, " eller tilltäppning av själva materialet de är designade för att filtrera bort, kräver mer elektricitet för att tvinga vattnet genom ett delvis igensatt membran och frekvent byte av membran, båda ökar kostnaderna för vattenrening.

    Ny forskning från Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering vid Harvard University och samarbetspartners vid Northeastern University och University of Waterloo visar att Wyss vätskestyrda membran (LGM) filtrerar nanolerapartiklar ur vatten med dubbelt högre effektivitet, nästan tre gånger längre tid till brott, och en minskning av trycket som krävs för filtrering över konventionella membran, erbjuda en lösning som kan minska kostnaderna och elförbrukningen för högpåverkande industriella processer som olje- och gasborrning. Studien redovisas i APL-material .

    "Detta är den första studien som visar att LGM kan uppnå varaktig filtrering i miljöer som liknar de som finns i tung industri, och det ger insikt i hur LGM:er motstår olika typer av nedsmutsning, som kan leda till att de används i en mängd olika vattenbehandlingsmiljöer, " sa första författaren Jack Alvarenga, en forskare vid Wyss Institute.

    LGM efterliknar naturens användning av vätskefyllda porer för att kontrollera vätskors rörelse, gaser och partiklar genom biologiska filter som använder lägsta möjliga mängd energi, ungefär som de små stomatöppningarna i växternas löv tillåter gaser att passera igenom. Varje LGM är belagd med en vätska som fungerar som en vändbar grind, fyllning och tätning av dess porer i "stängt" tillstånd. När tryck appliceras på membranet, vätskan inuti porerna dras åt sidorna, skapa öppna, vätskefodrade porer som kan ställas in för att tillåta passage av specifika vätskor eller gaser, och motstå nedsmutsning på grund av vätskeskiktets hala yta. Användningen av vätskefodrade porer möjliggör också separation av en målförening från en blandning av olika ämnen, vilket är vanligt vid industriell vätskebearbetning.

    Forskargruppen bestämde sig för att testa sina LGM på en suspension av bentonitlera i vatten, som sådana "nanoclay"-lösningar efterliknar avloppsvatten som produceras av borrverksamhet inom olje- och gasindustrin. De infunderade 25 mm skivor av ett standardfiltermembran med perfluorpolyeter, en typ av flytande smörjmedel som har använts inom flygindustrin i över 30 år, att omvandla dem till LGM. De placerade sedan membranen under tryck för att dra vatten genom porerna men lämnar nanolerpartiklarna kvar, och jämförde prestandan hos obehandlade membran med LGM.

    De obehandlade membranen uppvisade tecken på att nanolera besmittade mycket snabbare än LGM, och LGM:erna kunde filtrera vatten tre gånger längre än standardmembranen innan de krävde en "backwash"-procedur för att ta bort partiklar som hade samlats på membranet. Mindre frekvent återspolning kan leda till en minskning av användningen av rengöringskemikalier och energi som krävs för att pumpa tillbakaspolningsvatten, och förbättra filtreringshastigheten i industriella vattenbehandlingsmiljöer.

    Medan LGMs så småningom upplevde nedsmutsning, de visade en 60% minskning av mängden nanolera som ackumulerades i deras struktur under filtrering, vilket är känt som "irreversibel nedsmutsning" eftersom det inte avlägsnas genom backspolning. Denna fördel ger LGM en längre livslängd och gör att mer av filtratet kan återvinnas för alternativ användning. Dessutom, LGM krävde 16 % mindre tryck för att initiera filtreringsprocessen, återspeglar ytterligare energibesparingar.

    "LGM har potential att användas i så olika industrier som livsmedels- och dryckesförädling, biofarmaceutisk tillverkning, textilier, papper, massa, kemisk, och petrokemi, och skulle kunna erbjuda förbättringar i energianvändning och effektivitet inom ett brett spektrum av industriella tillämpningar, " sa motsvarande författare Joanna Aizenberg, Ph.D., som är en grundande kärnfakultetsmedlem av Wyss Institute och Amy Smith Berylson professor i materialvetenskap vid Harvards John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS).

    Teamets nästa steg för forskningen inkluderar större pilotstudier med industripartners, långsiktig drift av LGM, och filtrering av ännu mer komplexa blandningar av ämnen. Dessa studier kommer att ge insikt i den kommersiella livskraften för LGM för olika tillämpningar, och hur länge de skulle hålla i ett antal användningsfall.

    "Konceptet med att använda en vätska för att filtrera andra vätskor, även om det kanske inte är självklart för oss, är utbredd i naturen. Det är underbart att se hur att utnyttja naturens innovation på detta sätt potentiellt kan leda till enorma energibesparingar, " sa Wyss grundare Donald Ingber, M.D., Ph.D., som också är Judah Folkman professor i vaskulär biologi vid Harvard Medical School och Vascular Biology Program vid Boston Children's Hospital, samt professor i bioteknik vid SEAS.


    © Vetenskap https://sv.scienceaq.com