Med vattenbrist en kritisk utmaning över hela världen, forskare och ingenjörer eftersträvar nya sätt att skörda renat vatten från okonventionella källor, som havsvatten eller rentav avloppsvatten.

En av dessa forskare är Tiezheng Tong, biträdande professor vid institutionen för samhälls- och miljöteknik, vars laboratorium studerar en framväxande teknik som kallas membrandestillation.

Membrandestillation innebär en tunn, vattenavvisande membran som utnyttjar ångtryckskillnader mellan varmare oren vätska, kallas "matvatten, "och kallare renat vatten, kallas "permeat". Under processen, vattenånga passerar genom membranet och separeras från det salta eller smutsiga matvattnet. Enligt Tong, membrandestillation fungerar bättre än annan teknik som omvänd osmos, som inte kan behandla extremt saltvatten, såsom saltvattenlösning eller producerat vatten från hydraulisk sprickbildning.

Medan det lovar, membrandestillation fungerar inte perfekt. En viktig utmaning är att designa membran för att rena vatten effektivt och samtidigt säkerställa noll kontaminering av det rena vattnet.

Tong- och materialvetare Arun Kota vid Institutionen för maskinteknik gick samman för att komma till den grundläggande vetenskapen bakom att designa det perfekta membranet. I nya experiment beskriver de i Naturkommunikation , CSU -forskarna ger ny information om varför vissa membrandesigner som används vid membrandestillation fungerar bättre än andra.

"Den grundläggande kunskapen från vårt papper förbättrar den mekanistiska förståelsen för transport av vattenånga inom mikroporösa substrat och har potential att vägleda framtida design av membran som används vid membrandestillation, "Sa Tong.

Vid membrandestillation, matningsvattnet värms upp, separera de rena och orena komponenterna genom skillnader i flyktighet. Det mikroporösa membranet är en nyckelkomponent i installationen eftersom det tillåter vattenånga genom, men inte hela oren vätska. Vanligtvis, membranet är tillverkat av en "hydrofob, "eller vattenavvisande, material för att bara släppa igenom vattenånga men behålla en barriär för matningsvattnet.

Dock, dessa hydrofoba membran kan misslyckas, eftersom matvattnet, såsom skifferoljeproducerat vatten, kan ha låg ytspänning. Denna låga ytspänning gör att matvattnet kan läcka genom membranets porer, förorenar det rena vattnet på andra sidan - ett fenomen som kallas membranvätning.

Tidigare forskning hade avslöjat att med hjälp av "omnifobiska" membran - membran som stöter bort alla vätskor, inklusive vatten och vätskor med låg ytspänning - håll ånga/vattenseparationen intakt. Men, omnifoba membran saktar vanligtvis ner hastigheten och mängden vattenånga som passerar genom membranet, att dramatiskt minska hela processens effektivitet.

CSU -forskarna satte sig för att upptäcka varför denna avvägning mellan hydrofoba mot omnifobiska membran finns. Genom systematiska experiment i laboratoriet som leds av postdoktorala forskare Wei Wang i Kotas laboratorium, och Tongs doktorand Xuewei Du, de fann att konventionella hydrofoba membran skapar ett större gränssnitt för vätskeånga. Detta ökar mängden avdunstning som sker. Med de omnifobiska membranen, de såg ett mycket mindre vätske-ånggränssnitt. Detta förklarar skillnaden mellan membranens prestanda.

De omnifobiska membranen som användes i experimenten gjordes utan att extra partiklar avsattes. Således kunde forskarna fastställa att deras observationer inte var resultatet av strukturella förändringar i membranen.

Medan de inte erbjöd någon lösning på avvägningen, deras insikter avslöjar kärnutmaningen kring att göra membrandestillation till en framgångsrik teknik. "Om du förstår problemet noggrant, då finns det utrymme för att lösa det, "Sa Kota." Vi har identifierat mekanismen; nu måste vi lösa avvägningsproblemet. "

Till exempel, smarta membran med exceptionell omnifobicitet och samtidigt ett stort vätskeånga-gränsyta kan göra membrandestillation till en robust och kostnadseffektiv process för vattenrening. Mer samarbetsforskning har initierats av teamet för att designa sådana smarta membran, with the goal of increasing efficiency of membrane distillation.

Tong added that the research happened at the interface of two disciplines:surface science and membrane technology.

"Arun and I utilized our complementary expertise to systematically conduct this work, " Tong said. "It is an example of good interdisciplinary collaboration across campus."