Ett avsaltningsmembran fungerar som ett filter för saltvatten:tryck vattnet genom membranet, få rent vatten lämpligt för jordbruk, energiproduktion och till och med dricka. Processen verkar enkel nog, men den innehåller komplexa förvecklingar som har förbryllat forskare i årtionden – fram till nu.

Forskare från Penn State, University of Texas i Austin, Iowa State University, Dow Chemical Company och DuPont Water Solutions publicerade ett nyckelfynd för att förstå hur membran faktiskt filtrerar mineraler från vatten, online idag (31 december) in Vetenskap . Artikeln kommer att finnas på den tryckta upplagans omslag, utfärdas i morgon (1 jan).

"Trots att de har använts i många år, det finns mycket vi inte vet om hur vattenfiltreringsmembran fungerar, sa Enrique Gomez, professor i kemiteknik och materialvetenskap och teknik vid Penn State, som ledde forskningen. "Vi fann att hur du kontrollerar densitetsfördelningen av själva membranet på nanoskala är verkligen viktigt för vattenproduktionens prestanda."

Leds av Manish Kumar, docent vid civila institutionen, Arkitekt- och miljöteknik vid UT Austin, laget använde multimodal elektronmikroskopi, som kombinerar detaljerad avbildning i atomär skala med tekniker som avslöjar kemisk sammansättning, för att fastställa att avsaltningsmembran är inkonsekventa i densitet och massa. Forskarna kartlade densitetsvariationerna i polymerfilm i tre dimensioner med en rumslig upplösning på ungefär en nanometer - det är mindre än halva diametern på en DNA-sträng. Enligt Gomez, detta tekniska framsteg var nyckeln till att förstå densitetens roll i membran.

"Du kan se hur vissa platser är mer eller mindre täta i ett kaffefilter bara genom ditt öga, " Sa Gomez. "I filtreringsmembran, det ser jämnt ut, men det är inte i nanoskala, och hur du kontrollerar den massfördelningen är verkligen viktigt för vattenfiltreringsprestanda."

Detta var en överraskning, Gomez och Kumar sa, eftersom man tidigare trodde att ju tjockare membran, desto mindre vattenproduktion. Filmtec, nu en del av DuPont Water Solutions, som tillverkar många avsaltningsprodukter, samarbetade med forskarna och finansierade projektet eftersom deras interna forskare fann att tjockare membran faktiskt visade sig vara mer genomsläppliga.

Forskarna fann att tjockleken inte spelar så stor roll som att undvika mycket täta nanoskalaregioner, eller "döda zoner". På sätt och vis, en mer konsekvent densitet genom hela membranet är viktigare än tjocklek för att maximera vattenproduktionen, enligt Gomez.

Denna förståelse kan öka membraneffektiviteten med 30 % till 40 %, enligt forskarna, vilket resulterar i mer vatten filtrerat med mindre energi – en potentiell kostnadsbesparande uppdatering av nuvarande avsaltningsprocesser.

"Membran för omvänd osmos används så ofta för att rengöra vatten, men det finns fortfarande mycket vi inte vet om dem, " sa Kumar. "Vi kunde inte riktigt säga hur vatten rör sig genom dem, så alla förbättringar under de senaste 40 åren har i princip gjorts i mörker."

Membran för omvänd osmos fungerar genom att trycka på ena sidan. Mineralerna stannar där, medan vattnet passerar igenom. Även om de är mer effektiva än avsaltningsprocesser utan membran, detta tar fortfarande oerhört mycket energi, forskarna sa, men att förbättra effektiviteten hos membranen skulle kunna minska den bördan.

"Sötvattenhantering håller på att bli en avgörande utmaning över hela världen, " sa Gomez. "Brist, torka – med ökande svåra vädermönster, det förväntas att detta problem kommer att bli ännu mer betydande. Det är ytterst viktigt att ha rent vatten tillgängligt, särskilt i områden med låga resurser."

Teamet fortsätter att studera strukturen av membranen, samt de kemiska reaktionerna som är involverade i avsaltningsprocessen. De undersöker också hur man utvecklar de bästa membranen för specifika material, såsom hållbara men ändå tuffa membran som kan förhindra bildandet av bakterietillväxt.

"Vi fortsätter att driva våra tekniker med mer högpresterande material med målet att klargöra de avgörande faktorerna för effektiv filtrering, " sa Gomez.