(Phys.org) -- Även om hav och hav innehåller cirka 97 % av jordens vatten, för närvarande kommer bara en bråkdel av en procent av världens dricksvattenförsörjning från avsaltat saltvatten. För att öka vår användning av saltvatten, avsaltningstekniker måste bli mer energieffektiva och billigare för att vara hållbara. I en ny studie, två materialforskare från MIT har i simuleringar visat att nanoporös grafen kan filtrera salt från vatten i en hastighet som är 2-3 storleksordningar snabbare än dagens bästa kommersiella avsaltningsteknik, omvänd osmos (RO). Forskarna förutspår att grafens överlägsna vattenpermeabilitet kan leda till avsaltningstekniker som kräver mindre energi och använder mindre moduler än RO-teknik, till en kostnad som kommer att bero på framtida förbättringar av grafentillverkningsmetoder.

Forskarna, David Cohen-Tanugi och Jeffrey C. Grossman från MIT, har publicerat sin studie om avsaltning av vatten med enskikts nanoporös grafen i ett färskt nummer av Nanobokstäver .

"Detta arbete visar att några av nackdelarna med nuvarande avsaltningstekniker kan undvikas genom att uppfinna mer effektiva och målinriktade membranmaterial, ” berättade Grossman Phys.org . "Särskilt skräddarsydd nanostrukturering av membran kan tillåta faktiska vattenflöden (med full saltavvisning) via storleksuteslutning, vilket leder till mycket högre permeabilitet jämfört med omvänd osmos."

Det är inte första gången som forskare har undersökt användningen av nanoporösa material för avsaltning. I motsats till RO, som använder högt tryck för att långsamt trycka vattenmolekyler (men inte saltjoner) genom ett poröst membran, nanoporösa material arbetar under lägre tryck och ger väldefinierade kanaler som kan filtrera saltvatten i en snabbare hastighet än RO-membran.

Dock, detta är första gången som forskare har utforskat den potentiella rollen av nanoporös grafen som ett filter för avsaltning av vatten. Enkellagers grafen, som bara är en kolatom tjock, är det ultimata tunna membranet, vilket gör det fördelaktigt för vattenavsaltning eftersom vattenflödet över ett membran skalar omvänt med membranets tjocklek.

Genom att använda klassiska simuleringar av molekylär dynamik, Cohen-Tanugi och Grossman undersökte vattenpermeabiliteten hos nanoporös grafen med olika pordiametrar (1,5 till 62 Å) ² ) och porkemi. Som tidigare experiment har visat, nanoporer kan introduceras i grafen med en mängd olika metoder, inklusive heliumjonstråleborrning och kemisk etsning. I sina simuleringar, forskarna stärkte nanoporerna genom att passivera, eller skärmning, varje kolatom vid porkanten med antingen väteatomer eller hydroxylgrupper.

"Eftersom dessa kolatomer vid porkanten skulle vara ganska reaktiva utan passivering, på ett eller annat sätt under realistiska experimentella förhållanden kommer de sannolikt att ha någon form av kemisk funktionalisering, sa Grossman. "Detta går att kontrollera till viss del, så vi ville utforska de två gränserna för hydrofob kontra hydrofil kantkemi. Om vi ​​inte hade några funktionella grupper (bara bara kol) skulle vattenmolekyler inom en kort tid dissociera vid porkanten och troligen antingen hydrera eller hydroxylera dessa kol.”

Forskarna jämförde de två kemierna, tillsammans med olika porstorlekar, av nanoporös grafen i deras simuleringar genom att rinna saltvatten med en salthalt på 72 g/L över membranen, vilket är ungefär dubbelt så mycket salthalt som genomsnittligt havsvatten (cirka 35 g/L).

De fann att, även om de största nanoporerna kunde filtrera vatten i högsta hastighet, stora nanoporer tillät vissa saltjoner att passera igenom. Simuleringarna identifierade ett mellanliggande intervall av nanopordiametrar där nanoporerna var tillräckligt stora för att tillåta passage av vattenmolekyler men tillräckligt små för att begränsa saltjoner.

Simuleringarna visade också att den hydroxylerade grafenen avsevärt förbättrar vattenpermeabiliteten, vilket forskarna tillskriver hydroxylgruppernas hydrofila natur. Eftersom, i kontrast, de hydrerade porerna är hydrofoba, vattenmolekyler kan flöda igenom endast när de befinner sig i ett begränsat antal högt ordnade konfigurationer. Men hydrofila grupper tillåter vattenmolekyler att ha ett större antal vätebindande konfigurationer inuti porerna, och denna brist på restriktioner ökar vattenflödet.

Övergripande, resultaten visar att nanoporös grafen teoretiskt kan överträffa RO-membran när det gäller vattenpermeabilitet, vilket uttrycks i liter effekt per kvadratcentimeter membran per dag och per enhet av applicerat tryck. Medan högflöde RO har en vattenpermeabilitet på några tiondelar, simuleringarna visade att nanoporös grafens vattenpermeabilitet varierade från 39 till 66 för porkonfigurationer som uppvisade full saltavstötning (23,1 Å) ² hydrerade porer och 16,3 Å ² hydroxylerade porer). Grafen med de största hydroxylerade porerna nådde 129, men tillät viss passage av saltjoner.

Forskarna förklarar att det finns två huvudutmaningar för användningen av nanoporös grafen för avsaltningsändamål. En är att uppnå en snäv porstorleksfördelning, även om snabba experimentella framsteg i att syntetisera högordnad porös grafen antyder att detta snart kan vara genomförbart. Den andra utmaningen är mekanisk stabilitet under applicerat tryck, vilket skulle kunna uppnås genom att använda ett tunnfilmsstödskikt såsom det som används i RO-material.

"Beräkningsmässigt, vi tittar på en rad andra potentiellt nya sätt att konstruera membran för avsaltning och dekontaminering, sa Grossman. "Experimentellt, vi tillverkar för närvarande nanoporösa membran och hoppas kunna testa deras avsaltningsprestanda under de kommande månaderna."

Copyright 2012 Phys.org
Alla rättigheter förbehållna. Detta material får inte publiceras, utsända, omskrivs eller omdistribueras helt eller delvis utan uttryckligt skriftligt tillstånd från PhysOrg.com.