I experimentet, forskare doppade först ett hydrofobt polymert membran i garvsyra (TA), en vanlig polyfenol. Sedan, det torkade TA-doppbelagda membranet laddas i atomskiktsdepositionsreaktorn (ALD) för beläggning med titandioxid med användning av prekursorerna titantetraklorid och vatten (TiCl4 och H2O). De belagda membranen uppvisar minimal nedsmutsning vid olja-i-vattenbehandling. Kredit:Argonne National Laboratory
Många industriella processer är beroende av tunna membran som kan rengöra vatten, till exempel, genom att filtrera bort föroreningar. På senare år har en teknik som kallas atomic layer deposition (ALD) har använts för att ställa in dessa membran för bättre prestanda, men det finns ett problem:många av dem är gjorda av material som inte är kompatibla med ALD, en process som använder alternerande kemiska ångor för att skapa mycket tunna lager på en yta.
En ny metod utvecklad av ett team med forskare från det amerikanska energidepartementets (DOE) Argonne National Laboratory gör ALD möjlig på nästan alla membran. Forskarna upptäckte en förvånansvärt enkel lösning:doppa membran i garvsyra först. Syrans molekyler fastnar på membranets yta, tillhandahålla kärnbildningsplatser – eller punkter där en ALD beläggning kan få fäste och växa.
Möjligheten att använda denna teknik på typiskt resistenta membranmaterial möjliggör en mängd potentiella förbättringar som kan förbättra funktionalitet och hållbarhet - eller skapa helt nya egenskaper. Arbetet beskrivs i detalj i artikeln "Polyphenol-Sensitized Atomic Layer Deposition for Membrane Interface Hydrophilization, " som nyligen publicerades i tidskriften Avancerade funktionella material .
Många kommersiella membran är gjorda av vanliga plaster som polypropen och polyeten, som är billiga och relativt robusta. Men när det används för att behandla vatten, dessa polymerbaserade membran tenderar att orsaka problem. Deras ytor är benägna att smutsa ner, där föroreningar ansamlas i deras porer och minskar effektiviteten.
Med ALD, en process som är vanlig i halvledarindustrin, membran kan ändras för att motstå nedsmutsning eller anta andra önskvärda egenskaper. Molekyler avsatta på ytan kan väva sig igenom ett membrans slingrande nätverk av porer för att hitta alla ytor inuti, skapar en exceptionellt enhetlig beläggning.
En bild visar råolja-i-vatten-inmatning i dess initiala tillstånd och det rena permeatet som kommer ut efter att ha passerat det ALD-behandlade membranet, en process som utfördes tre gånger i följd. Membranet sköljdes helt enkelt med vatten efter varje filtreringscykel. Kredit:Argonne National Laboratory
"ALD, i princip, är jättebra, sa Seth Darling, en medförfattare till studien och chef för Argonnes Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Center. "Utmaningen är att de flesta polymerer som används för att tillverka membran inte är mottagliga för beläggning med ALD."
I studien, Förbehandling av garvsyra gjorde att ett vattenbeständigt polymermembran kunde beläggas med titandioxid, omvandlar dess yta till att bli hydrofil (vattenälskande) istället. Det vattenattraherande lagret skapar en skyddande buffert mot nedsmutsning.
AMEWS center, som finansieras av DOE:s Office of Science, stödde arbetet som en del av ett bredare arbete för att förstå och kontrollera vad som händer i gränssnittet mellan vatten och fasta material. En sådan förståelse är nyckeln till att förbättra hur vi bearbetar och använder vatten.
Förr, Argonne-forskare har utnyttjat det faktum att vissa polymerer är ogästvänliga för ALD genom att skapa ett tvåsidigt ”Janus”-membran, med en hel metalloxidbeläggning ovanpå membranet och ingen på andra sidan. Den här senaste studien är första gången som forskare har kunnat fullständigt och enhetligt sensibilisera ett membran för ALD med hjälp av en oförstörande förbehandling.
Argonne utvecklar metoder för att skala upp ALD och andra gränssnittsteknikmöjligheter så att dessa metoder kan utvärderas för stora, industriella tillämpningar. "Vi använder för närvarande reaktorer i labbskala för dessa forskningsstudier, men vi bygger verktyg för effektiv ALD bearbetning av substrat med stora ytor. Detta kommer att möjliggöra testning i pilotskala av våra ALD material, " sa Jeffrey Elam, en senior kemist vid Argonne och studie medförfattare.
Den nya metoden skulle potentiellt kunna fungera inte bara med garvsyra utan vilken flytande polyfenol som helst och även med vilket polymermembran som helst, vilket öppnar upp ett stort antal möjligheter utöver proof of concept som beskrivs i tidningen. Förutom vattenattraherande eller vattenbeständiga beläggningar, ALD kan användas för att skapa kemiskt reaktiva eller elektriskt ledande material.
"Det finns ett helt bibliotek med saker du kan göra med ALD, " Sa Darling. "Den här tekniken öppnar nu upp biblioteket för polymermembran."
