Bild tagen med MIT-forskarnas system visar fibrerna i filtermembranet i rött, och de oljiga dropparna som samlas på den i grönt. Färgerna är resultatet av fluorescerande färgämnen som läggs till materialen. Kredit:Massachusetts Institute of Technology
Olja och vatten är berömt ovilliga att blandas helt. Men att separera dem helt – t.ex. när man städar upp ett oljeutsläpp eller renar vatten som förorenats genom fracking – är en djävulskt hård och ineffektiv process som ofta förlitar sig på membran som tenderar att bli igensatta, eller "försmutsad".
En ny avbildningsteknik utvecklad vid MIT kan ge ett verktyg för att utveckla bättre membranmaterial som kan motstå eller förhindra nedsmutsning. Det nya arbetet beskrivs i tidskriften Tillämpade material och gränssnitt , i en uppsats av MIT-studenterna Yi-Min Lin och Chen Song och professorn i kemiteknik Gregory Rutledge.
Att städa upp oljigt avloppsvatten är nödvändigt i många industrier, inklusive petroleumraffinering, Livsmedelsbearbetning, och metallbearbetning, och det obehandlade avfallet kan vara skadligt för akvatiska ekosystem. Metoderna för att ta bort oljiga föroreningar varierar, beroende på de relativa mängderna olja och vatten och storleken på oljedropparna. När oljan är emulgerad, den mest effektiva rengöringsmetoden är användningen av membran som filtrerar bort de små oljedropparna, men dessa membran blir snabbt nedsmutsade av dropparna och kräver tidskrävande rengöring.
Men nedsmutsningsprocessen är mycket svår att observera, vilket gör det svårt att bedöma de relativa fördelarna med olika material och arkitekturer för själva membranen. Den nya tekniken som utvecklats av MIT-teamet kan göra sådana utvärderingar mycket lättare att utföra, säger forskarna.
Dessa filtreringsmembran "tenderar att vara väldigt svåra att se inuti, " säger Rutledge. "Det är mycket ansträngning att utveckla nya typer av membran, men när de tas i bruk, du vill se hur de interagerar med det förorenade vattnet, och de lämpar sig inte för lätt undersökning. De är vanligtvis utformade för att packas i så mycket membranyta som möjligt, och att kunna titta inuti är väldigt svårt."
Lösningen de utvecklade använder konfokal laserskanningsmikroskopi, en teknik där två lasrar skannas över materialet, och vid den punkt där de två strålarna korsar, ett material märkt med ett fluorescerande färgämne kommer att lysa. I sitt tillvägagångssätt, teamet introducerade två fluorescerande färgämnen, en för att markera det oljiga materialet i vätskan, den andra för att markera fibrerna i filtreringsmembranet. Tekniken gör att materialet kan skannas inte bara över membranets område, men också in i materialets djup, lager på lager, att bygga upp en fullständig 3D-bild av hur oljedropparna sprids i membranet, som i detta fall är sammansatt av en rad mikroskopiska fibrer.
Den grundläggande metoden har använts inom biologisk forskning, att observera celler och proteiner i ett prov, Rutledge förklarar, men det har inte använts mycket för att studera membranmaterial, och aldrig med både oljan och fibrerna märkta. I detta fall, forskarna observerar droppar som varierar i storlek från cirka 10 till 20 mikron (miljondelar av en meter), ner till några hundra nanometer (miljarddelar av en meter).
Tills nu, han säger, "metoder för att avbilda porutrymmen i membran var ganska grova." För det mesta, poregenskaperna härleddes genom att mäta flödeshastigheter och tryckförändringar genom materialet, ger ingen direkt information om hur det oljiga materialet faktiskt byggs upp i porerna. Med den nya processen, han säger, "Nu kan du faktiskt mäta geometrin, och bygga en tredimensionell modell och karakterisera materialet i detalj. Så det som är nytt nu är att vi verkligen kan titta på hur separation sker i dessa membran."
Genom att göra så, och genom att testa effekterna med olika material och olika arrangemang av fibrerna, "Detta borde ge oss en bättre förståelse för vad nedsmutsning egentligen är, " säger Rutledge.
Teamet har redan visat att interaktionen mellan oljan och membranet kan vara väldigt olika beroende på vilket material som används. I vissa fall bildar oljan små droppar som gradvis smälter samman och bildar större droppar, medan i andra fall oljan sprider sig i ett lager längs fibrerna, en process som kallas vätning. "Förhoppningen är att med en bättre förståelse av mekanismen för nedsmutsning, människor kommer att kunna lägga mer tid på de tekniker som är mer benägna att lyckas" för att begränsa den nedsmutsningen, säger Rutledge.
Den nya observationsmetoden har tydliga tillämpningar för ingenjörer som försöker designa bättre filtreringssystem, han säger, men det kan också användas för forskning om den grundläggande vetenskapen om hur blandade vätskor interagerar. "Nu kan vi börja fundera på någon grundläggande vetenskap om interaktionen mellan tvåfasiga vätskeflöden och porösa medier, " säger han. "Nu, du kan utveckla några detaljerade modeller" av processen.
Och den detaljerade informationen om hur olika strukturer eller kemi fungerar kan göra det lättare att konstruera specifika typer av membran för olika applikationer, beroende på vilken typ av föroreningar som ska avlägsnas, den typiska storleken på dropparna i dessa föroreningar, och så vidare. "Vid design av membran, det är inte en enda storlek som passar alla, ", säger han. "Potentiellt kan man ha olika typer av membran för olika avloppsvatten."
Metoden kan också användas för att observera separation av olika sorters blandningar, såsom fasta partiklar i en vätska, eller en omvänd situation där oljan är dominerande och membranet används för att filtrera bort vattendroppar, som i ett bränslefiltreringssystem, säger Rutledge.
"När jag läste hans tidning på djupet, Jag blev imponerad av Gregs sätt att använda 3D-bilder för att förstå den komplexa nedsmutsningsprocessen i membran som används för olje-vattenemulsioner, " säger William J. Koros, Roberto C. Goizueta ordförande för excellens i kemiteknik och GRA Eminent Scholar i membraner vid Georgia Institute of Technology, som inte var involverad i denna forskning.
Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.