Som svar på stigande vattenbrist, ledande Argonne National Laboratory -forskaren Seth Darling beskriver de mest avancerade forskningsinnovationerna som kan ta itu med global tillgänglighet till rent vatten. Hans omfattande uppsats fokuserar på att förstå och kontrollera gränssnitten mellan material och vatten.

Gränssnitt avgör prestanda för tekniker som vattenkvalitetssensorer, filtreringsmembran och till och med rör. Darlings egna laboratorier arbetar med adsorbenter för att främja vattenrening. Han presenterade sina resultat denna vecka i Journal of Applied Physics .

Adsorbenter

Adsorption är en av de bästa mekanismerna för rengöring av vatten. I denna process, föroreningar fäster vid ytan av porösa material för att maximera förhållandet yta till volym.

Mycket poröst aktivt kol är det mest utbredda eftersom det är rikligt och billigt. Zeoliter kan fånga hela molekyler i sina 3-D kristallina burstrukturer, gör det möjligt för dem att selektivt binda särskilda föreningar från vattenbaserade lösningar. Polymerbaserade sorbenter har nästan obegränsad flexibilitet i sin design.

"Vi kommer att fortsätta att lita på [denna] beprövade teknik, "Darling sa." Men det finns också ett akut behov av sorbenter som är mer effektiva och energieffektiva. "

Återanvändbarhet

Återanvändbarhet är en kritisk måttstock för sorbentmaterial, vilket markant kan minska kostnaderna och öka hållbarheten i en behandlingsprocess. Polymera skumsvampar är lovande kandidater för detta tillvägagångssätt.

Darling leder en grupp som skapade Oleo Sponge, som kan suga upp 90 gånger sin vikt i olja genom hela vattenkolonnen. För att skapa Oleo Sponge, forskarna implementerade en teknik som kallas sekventiell infiltrationssyntes (SIS). Med hjälp av SIS, de odlade metalloxid i skumfibrerna för att transformera vanligt polyuretanskum, finns i sittdynor, i en oljeadsorbent.

Oxiden fungerar som "limet" till vilket de oljeälskande (oleofila) molekylerna fäster. Återanvändbar olja extraheras från svampen, så det kan användas upprepade gånger.

Inriktning på individuella föroreningar

Forskare utformar också nästa generations sorbenter som har högre specificitet-mer bindande kraft för att rikta in sig på enskilda föroreningar. Helst, forskare kan skräddarsy gränssnittsegenskaper för att adsorbera specifika molekyler för att fånga utmanande vattenföroreningar som näringsämnen och tungmetaller.

Forskare undersöker nu hur man kan återanvända metallorganiska ramverk (MOF), ett material som redan används vid gassorption, för det här syftet. Relaterat till zeoliter, MOF består av metalljoner eller kluster bundna av organiska ligander. MOF har en hög ytarea, kontrollerbara strukturer och avstämbara porer.

"Vi har en vattenkris, som bygger på att befolkningen ökar, urbanisering och klimatstörningar. Och det finns ohållbar användning av vårt vatten, "Darling sa." En del av att ta itu med detta är genom politiska lösningar, men vi behöver också nya, mer energieffektiv och kostnadseffektiv teknik. "