Forskare vid University of Manchester har tagit ett steg framåt för att övervinna ett av de största problemen inom membranteknik- membranföroreningar.

Membranbaserade separationer är viktiga för olika processer, såsom vattenfiltrering och olje- och gasseparation. Användningen av grafen och andra 2-D-material inom membranteknik har väckt betydande uppmärksamhet på grund av att dessa material är avstämbara vilket gör det möjligt att filtrera föroreningar som man tidigare inte trodde var möjliga.

Förorening är en oundviklig händelse vid membranseparation, där blockeringar uppstår i porerna i ett membran, stoppa flödet och förhindra att membranet fungerar normalt. Förorening är en särskilt allvarlig fråga för oljeseparationsteknik på grund av hur lätt oljedropparna fastnar på membranytan.

Publicerad i Naturkommunikation , teamet baserat på Institutionen för kemiteknik och analytisk vetenskap, Henry Royce Institute och National Graphene Institute i samarbete med University College London (UCL), har visat att den exfolierade tvådimensionella formen av vermikulit, ett naturligt lermineral, kan användas som en smutsbeständig beläggning för olje-vattenseparation.

Det är välkänt att ökad vattenvätbarhet och minskad oljeadhesion på ett membran kan minska membranföroreningar på grund av oljeavsättning. Det vetenskapliga samfundet har tidigare främst fokuserat på att justera membranets ytladdning genom kemisk modifiering för att förbättra vattnets vätbarhet och därmed minska föroreningar. Dessa försök har delvis lyckats, men långsiktiga antifoulingegenskaper var ännu inte uppnådda.

Nu har teamet vid University of Manchester funnit att vermikulitmembrans vätande egenskaper, beredd genom att stapla många lager av tvådimensionella vermikulitark, kan ställas in från superhydrofil till hydrofob helt enkelt genom att byta ut katjonerna på ytan och mellan lagren av vermikulit.

Ytterligare, laget demonstrerade också hur man kan utnyttja denna ovanliga egenskap för att minska membranföroreningen under olje-vattenfiltrering genom att använda superhydrofila litiumbytade vermikuliter (litium vermikulit) som ett beläggningsskikt för kommersiella mikrofiltreringsmembran.

Dr Kun Huang, huvudförfattaren till papperet sa:"Litiumvermikulitmembran ger inte bara superhydrofilicitet utan avvisar också oljedroppar under filtrering på grund av deras superoleophobiska egenskaper under vattnet. Oljeadhesionen under vatten på vermikulitbelagda mikrofiltreringsmembran var mer än 40 gånger lägre än de icke-belagda membran."

Den demonstrerade olja-vatten-separationen är bara ett exempel på användningen av superhydrofila antifouling-membran. Deras tillämpning kan utökas till andra områden som att utveckla självrengörande ytor, och antifouling -filter för biofiltrering.

Professor Rahul Raveendran Nair sa:"Att utveckla antifouling-membran för olje-vatten-separation är ett eftersökt mål för forskare och teknologer, vilket framgår av den snabba ökningen av antalet publikationer inom detta område. Vi tror att vårt arbete ger ett stort framsteg i den grundläggande förståelsen av vätningsegenskaper hos fasta ämnen ner till molekylär nivå och är en anmärkningsvärd milstolpe i utvecklingen av robusta föroreningsresistenta membrantekniker. "

Arbetet gjordes i samarbete med forskare från Institutionen för fysik och astronomi vid UCL för att undersöka mekanismen för den ovanliga vattenvätningsövergången i vermikulitmembranet vid jonbyte.

Patrick Rowe, från UCL sa:"Vår studie visar hur detaljerna i atomskala om samspelet mellan vattenmolekyler, ytor och joner är viktiga för att förstå fasta egenskaper. Litiumvermikulitens höga vattenaffinitet och därmed lägre oljedroppinteraktion beror på det unika arrangemanget av vattenmolekyler på ytan av litium vermikulit. "

Dr Christie Cherian, som var medförfattare till tidningen sa:"Närvaron av joner i vermikulitmembranet hjälpte till att fästa vattenmolekylerna stadigt på ytan även när membranet utsätts för olja under en längre tid, en egenskap som är unik för det vermikulitbelagda membranet, visar löften om att använda den som en långsiktig antifouling-beläggning.