För första gången, ett team av forskare från Stony Brook University och US Department of Energy's (DOE) Brookhaven National Laboratory har avslöjat den molekylära strukturen hos membran som används vid omvänd osmos. Forskningen rapporteras i en nyligen publicerad artikel i ACS makrobokstäver , en tidskrift från American Chemical Society (ACS).

Omvänd osmos är den ledande metoden för att omvandla bräckt vatten eller havsvatten till dricksvatten eller dricksvatten, och det används för att göra cirka 25, 000 miljoner liter färskvatten om dagen globalt enligt International Water Association.

"Det mesta av jordens vatten finns i haven och bara tre procent är sötvatten, så vattenrening är ett viktigt verktyg för att tillfredsställa den ökande efterfrågan på dricksvatten, ”, sade seniorforskaren Benjamin Ocko vid Brookhaven Lab. ”Omvänd osmos är inte en ny teknologi; dock, molekylstrukturen hos många av de mycket tunna polymerfilmerna som fungerar som barriärskiktet i omvänd osmosmembran, trots dess betydelse, var inte känt tidigare."

Det tunna polymerbarriärskiktet som används i omvänd osmosmembran är semipermeabelt. Små molekyler som vatten kan passera från ena sidan av membranet till den andra, men andra molekyler, såsom hydratiserade natrium- eller kloridjoner, kan inte passera barriärskiktet. Denna egenskap är vad som gör att dessa membran kan filtrera saltet ur saltlösning för att göra dricksvatten. Under en kommersiell omvänd osmosprocess, det salta vattnet trycksätts för att tvinga färskvattnet genom membranet.

Eftersom havsvattnet måste pressas genom membranet, energiförbrukningen i anläggningar för omvänd osmos är hög. För att göra 100 liter färskvatten med omvänd osmos, energikostnaden är ungefär en kilowattimme, motsvarande att driva en 100-watts glödlampa i 10 timmar.

"Även små förbättringar av filtreringsmembranens prestanda skulle resultera i enorma energi- och kostnadsbesparingar globalt, sade Benjamin S. Hsiao, framstående professor vid Stony Brook University. "Därför, vi tittar på membranen på molekylär nivå. Vi vill ta reda på hur molekylär struktur bidrar till högeffektiva membran och använda denna kunskap för att designa förbättrade membran."

För dessa mätningar, teamet gjorde en väldefinierad tunn polymerfilm vid gränsytan mellan olja och vatten med en metod som kallas gränssnittspolymerisation, som liknar den industriella processen. Som en tvådelad epoxi, en av de molekylära komponenterna tillsätts till vattnet och den andra tillsätts till oljan. I gränssnittet, där vattnet och oljan berör – som gränsytan mellan olja och vinäger i salladsdressing – reagerar de två molekylära komponenterna med varandra och skapar den mycket tunna polymerfilmen.

"Den resulterande tunna filmen är bara en tusendel av tjockleken på ett människohår. Den är också strukturellt lik det tunna barriärskiktet i kommersiella omvänd osmosmembran, men det är mycket smidigare, sa Francisco Medellin-Rodriguez, en professor vid San Luis Potosi Autonomous University i Mexiko. "För att studera dessa tunna filmer, vi behöver ultraljusa röntgenstrålar, samt avancerade analys- och simuleringsverktyg."

Genom att använda ultraljusa röntgenstrålar från National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), en DOE Office of Science User Facility i Brookhaven, forskarna börjar reda ut förhållandet mellan membranens molekylära struktur och deras effektivitet.

Enligt Qinyi Fu, en doktorand från Stony Brook University och huvudförfattaren till studien, "För att lösa membranens molekylära struktur, teamet studerade spridningsmönstren för röntgenstrålar med en teknik som kallas grazing-incidence vidvinkelröntgenspridning vid NSLS-II:s Complex Materials Scattering (CMS) och Soft Matter Interfaces (SMI) strållinjer."

I denna teknik, röntgenstrålningen träffar membranet i en liten vinkel och sprids från ytan. De fångas sedan upp av en detektor som registrerar det så kallade spridningsmönstret för röntgenstrålarna som är specifikt för membranets molekylstruktur.

"I spridningsmönstret, vi kan identifiera molekylära packningsmotiv:hur närliggande molekyler i polymeren är ordnade i förhållande till varandra. Det ena är det parallella motivet och det andra är det vinkelräta motivet, sade Ocko. Medan båda packningsmotiven är närvarande, det vinkelräta packningsmotivet är bättre korrelerat med optimala filtreringsegenskaper."

Hsiao lade till, "Våra fynd visar också att den molekylära strukturen är preferentiellt orienterad med avseende på membranytan. Detta är ganska spännande och kan vara relaterat till hur vattenvägarna i membranet är orienterade."

På senare tid, teamet har börjat studera omvänd osmos-membran som tillverkas för kommersiella vattenreningssystem. Kemikalierna som används för att framställa dessa membran är desamma som de som användes för att göra membranfilmer vid gränsytan mellan olja och vatten.

"De kommersiella processerna skyddas av företagshemligheter och de exakta tillverkningsvillkoren är inte kända, " sa Ocko. "Trots detta, våra resultat visar att kommersiella membran uppvisar liknande strukturella egenskaper som modellmembranen som framställts i vårt labb vid gränsytan mellan olja och vatten, inklusive de parallella och vinkelräta motiven och föredragen molekylär orientering."

Genom att studera många membranmaterial och jämföra deras röntgenbestämda strukturella egenskaper med deras filtreringsegenskaper, forskarna förväntar sig att utveckla ett detaljerat förhållande mellan struktur och funktion.

"Vi hoppas att detta kommer att hjälpa utvecklingen av mer energieffektiva membran för framtida generationer av vattenfiltreringssystem, " sa Hsiao.