Allyson McGaughey växte upp i Seattle, USC Viterbi School of Engineering Ph.D. '21, ställdes aldrig inför den dagliga verkligheten av torka. I Los Angeles allt varmare och torrare öken blottades dock bristen på vatten – vilket ökade behovet av att hitta alternativa vattenlösningar.

I forskning publicerad i Journal of Membrane Science , McGaughey, i samordning med Amy Childress, USC Viterbi Gabilan Distinguished Professor, avslöjade nya insikter om hur man bäst utformar vattenreningsprocesser – till exempel rening av avloppsvatten vid en vattenbehandlingsanläggning – med hjälp av membrandestillation (MD). MD är en process som separerar salt från vatten med hjälp av ett tunt, torrt, poröst membran. Måttliga temperaturskillnader driver vatten att passera från en sida till en annan.

För att förstå detta bättre, tänk på en spagettisil, men med mycket, mycket mindre hål. En vattenström som hälls genom silen kommer att "rensas" från vissa material i vattnet som är för stora för att passera genom silens hål (som ett membrans porer), vilket lämnar en "ren" ström på andra sidan av silen. Ändå kan allt som är mindre än dessa hål – som det lösta saltet i vårt pastavatten – fortfarande komma igenom. För att rena ännu mer, tänk om vi kunde samla bara ångan, eller ren vattenånga? Föreställ dig nu en sil som bara låter ånga, inte flytande vatten, passera genom hålen. Då kan inte ens lösta salter komma igenom. Genom att använda ett mycket hydrofobt (vattenrädsla) membran som gör just det, kan MD användas för att extrahera rent, avsaltat vatten från förorenade vattendrag.

Framgången med membrandestillation, sa forskarna, bygger till stor del på membrandesigner som kan minska eller eliminera fukt som ackumuleras i membranet. Om ett membran blir blött, sa forskarna, kan det förlora sin effektivitet, vilket äventyrar kvaliteten på det behandlade vattnet. För detta ändamål studerade McGaughey, nu postdoktor vid Princeton University, hur man bäst designar membran så att de inte blir överdrivet blöta och framgångsrikt behandlar vatten, eliminerar salt och föroreningar och skapar ett högkvalitativt eller rent utflöde.

Bland deras nyckelfynd, sa McGaughey, är att minska membranets porstorlek eller öka tjockleken på själva membranet kan öka vattenmotståndet och fördröja eller förhindra kontaminering av den renade vattenströmmen.

Membran är vanligtvis gjorda av ett hydrofobt eller vattenbeständigt syntetiskt material med porer som är 0,1 till 0,5 mikrometer små. McGaughey sa att medan andra processer vanligtvis är mer energieffektiva än membrandestillation - till exempel en process som kallas omvänd osmos - i fallet med saltare vattenströmmar, kräver dessa mer typiska processer ett enormt tryck för att tvinga vattenmolekylerna genom membranet . Detta gör dem mindre praktiska för behandling av mycket salta vattendrag.

Däremot tillåter membrandestillation att saltare vatten kan renas mer effektivt än med omvänd osmos och gör det möjligt för forskare att rena saltare avloppsvatten som vanligtvis kasseras eftersom det inte kan renas effektivt med traditionella vattenreningsprocesser.

Problemet, sa McGaughey, är att membranen som filtrerar avloppsvattnet kan bli överdrivet blöta. "Vid omvänd osmos använder vi täta membran som är icke-porösa så bara vattenmolekyler kommer igenom, men vid membrandestillation finns det hål i membranen som kan tillåta kontaminering om de blir blöta", sa hon.

Optimering av membrandestillation för att öka membranens vattenbeständighet

Avsaltning är till sin natur en kostsam och energikrävande process på grund av saltets och vattnets kemiska egenskaper. Salt löser sig lätt i vatten, vilket gör bindningar som är mycket svåra att bryta, sa forskarna.

"Om vi ​​hade ett val skulle vi inte avsalta alls", sa McGaughey, "men alltmer behöver vi det vattnet."

Med membrandestillation sa McGaughey att en uppvärmd saltström placeras på ena sidan av ett torrt membran och en kall, ren vattenström på den andra. Skillnaden i temperatur mellan de två bäckarna är den drivkraft som förflyttar vatten från en sida till en annan. För att separera rent vatten från salt och andra föroreningar skiftar vattenmolekylerna i den salta strömmen från en vätska till en ånggas på grund av värmen.

Inuti de torra membranporerna finns en liten luftspalt som möjliggör ångansamling, vilket uppstår när saltvattnet värms upp och avdunstar, passerar genom membranet samtidigt som saltet lämnas kvar. Eftersom luftgapet är litet behövs inte mycket värme för att omvandla saltvattnet till ånga, vilket innebär att du kan använda solenergi för att värma den salta vätskan. Ångan representerar det renade vattnet eller destillatet, som på andra sidan av membranet kyls – av det kalla vattnet – och återgår till flytande form.

Membranets motståndskraft mot flytande vatten, eller vätningsmotstånd, är nyckeln till att säkerställa att destillatströmmen faktiskt är renad kontra kontaminerad. När membranet blir blött blandas flytande vatten från avloppsvattnet, eller saltlösningsströmmen, in i den renade vattenströmmen, vilket skapar en utgång av lägre kvalitet – kanske till och med en vattenutgång som inte skulle uppfylla dricksstandarder.

Att försöka ta reda på hur ett membran förlorar sin vätningsmotstånd på en grundläggande nivå och hur detta kan förhindras genom hydrofobicitet hos membranmaterialet och porstorleken är nyckeln, sa forskarna.

"Vi har membran som fungerar nu, men när du går upp till extremt höga salthalter, och du får saltutfällning på membranytan, är det fortfarande en stor utmaning," sa McGaughey.

Utmaningar inom vattenförsörjningen

"Hantera avfallsströmmar med hög salthalt är en stor utmaning - till exempel industriella avfallsströmmar," sa McGaughey.

"Den [membrandestillation] kommer aldrig att bli mer energieffektiv än omvänd osmos, men den kan använda solvärmekraft eller låggradig "spillvärme", vilket betyder att den kan förlita sig på grön energi. Detta innebär mindre koldioxidutsläpp än elektriciteten vi använder för att driva omvänd osmos och den kan också nå högre salthalt, säger hon.

Istället för att en enskild process är en fristående lösning, sa McGaughey att membrandestillation skulle kunna vara ett komplement till omvänd osmos, till exempel något du kan använda nedströms (vidare i vattenbehandlingsprocessen), efter en omvänd osmosbehandling.

"Membrandestillation kan användas på den avvisade saltvattenströmmen som kommer ur omvänd osmos för att maximera användningen av det tillgängliga vattnet," sa hon.

McGaughey sa också att membrandestillation också kan ha tillämpningar på landsbygden och i icke-elektrifierade regioner.