(Phys.org) — Beräkningsmodellering har gett materialforskare ny insikt i egenskaperna hos ett membran som renar saltvatten till dricksvatten. Den resulterande tekniken kan hjälpa till att påskynda ineffektiva avsaltningsprocesser som används idag.

Forskare vid Oak Ridge National Laboratory och Rensselaer Polytechnic Institute använde superdatorsimuleringar vid RPI:s Center for Computational Innovations för att utforska reningspotentialen hos ett hybridmaterial som kallas ramverk av grafenoxid, eller GOFs, introducerades först 2010.

"Detta är i grunden ark av oxiderad grafen sammankopplade med specifika kemiska länkar från några av oxidationsställena, ", sa ORNL:s Bobby Sumpter. "Eftersom den huvudsakligen består av starkt bundet kol, det sönderfaller inte i vatten och har goda mekaniska egenskaper. Det är ett spännande material med potential för många tillämpningar."

Inledningsvis fascinerad av GOFs avstämbara elektroniska egenskaper, Sumpter och RPI:s Vincent Meunier insåg snart att materialet kunde användas som ett avsaltningsmembran.

System för omvänd osmos, som utgör cirka 40 procent av världens avsaltningskapacitet, generera färskvatten genom att applicera tryck för att tvinga saltvatten genom ett semipermeabelt membran.

"Ett stort problem för avsaltning är hastigheten - hur mycket vatten kan du tränga igenom per dag, sade Meunier, Gail och Jeffrey L. Kodosky '70 Constellation professor i fysik, Informationsteknologi, och Entreprenörskap på RPI. "Du kan ha ett fantastiskt membranmaterial men om du bara kan behandla en kopp vatten om dagen, det kommer inte att vara användbart eller kostnadseffektivt."

Efter att ha utvecklat beräkningsmodeller för att beskriva interaktionerna mellan materialets atomer, Sumpter, Meunier och RPI:s Adrien Nicolaï bestämde sig för att beräkna den idealiska konfigurationen för ett GOF-avsaltningsmembran. De använde högpresterande datorer för att simulera hur skikttjocklek, tätheten av länkpelarna, och applicerat tryck påverkar materialets prestanda.

"Det finns en söt punkt för densiteten av länkarna, " Sa Meunier. "Om du har en hög täthet av länkar, det kommer att vara superselektivt, men det kommer också att sakta ner. Du behöver både selektivitet och permeabilitet."

Simuleringarna avslöjade att finjustering av GOF-strukturen resulterar i förmågan att ta bort alla joner från saltvatten i en mycket snabbare hastighet - ungefär 100 gånger snabbare än de material som för närvarande används som omvänd osmosmembran. Användningen av vattenavvisande grafen som en del av det porösa membranet bidrar till den ökade prestandan.

"Vatten försöker undvika att vara i kontakt med grafen, så att du kan designa det på ett sådant sätt att du tvingar vattnet att inte vara nära det ena lagret men inte heller att vara nära det andra, " Sa Meunier. "Denna effekt skapar kanaler, som leder vatten genom systemet mycket snabbt."

Teamets senaste simuleringar fokuserade på avlägsnande av saltjoner, men forskarna noterar att GOF-materialet kan användas som filtreringsmembran för andra föroreningar som bakterier. Eftersom GOF är gjorda med rikligt, billiga material genom en standardtillverkningsprocess, forskarna tror också att de GOF-baserade membranen kan bidra till att göra avsaltning mer ekonomiskt lönsam.

"Vi tror att det är skalbart, att kemiteknikindustrin potentiellt skulle kunna producera det i bulk, sa Sumpter.

Teamets senaste resultat publiceras som "Tunable water desalination across graphene oxide framework membranes" i tidskriften Fysikalisk kemi Kemisk fysik . Office of Naval Research och Department of Energy's Office of Science stödde forskningen.

Sumpter tillägger att teamets projekt exemplifierar hur tvärvetenskapliga samarbeten – genom att kombinera materialvetenskap, fysisk kemi, biofysik och beräkningssimulering – kan ge betydande resultat.

"Förståelse inom olika discipliner är avgörande för att möjliggöra dessa viktiga exempel på vetenskap, " sa han. "Det är fördelen med nanovetenskap, där flera områden möts för att lösa ett problem som är viktigt för samhället."