Membranseparationer har blivit avgörande för människans existens, med inget bättre exempel än vattenrening. När vattenbrist blir vanligare och samhällen börjar få slut på billigt tillgängligt vatten, de behöver komplettera sina försörjningar med avsaltat vatten från havsvatten och bräckt vatten.

Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) forskare har skapat kolnanorör (CNT) porer som är så effektiva att ta bort salt från vatten att de är jämförbara med kommersiella avsaltningsmembran. Dessa små porer är bara 0,8 nanometer (nm) i diameter. I jämförelse, ett människohår är 60, 000 nm tvärs över. Forskningen visas på omslaget till numret av tidskriften den 18 september Vetenskapens framsteg .

Den dominerande tekniken för att ta bort salt från vatten, omvänd osmos, använder tunnfilmskompositmembran (TFC) för att separera vatten från jonerna som finns i saltlösningar. Dock, några grundläggande prestationsproblem kvarstår. Till exempel, TFC-membran är begränsade av avvägningarna mellan permeabilitet och selektivitet och har ofta otillräcklig avstötning av vissa joner och spårmikroföroreningar, kräver ytterligare reningssteg som ökar energin och kostnaderna.

Biologiska vattenkanaler, även känd som aquaporiner, tillhandahålla en plan för de strukturer som skulle kunna erbjuda ökad prestanda. De har en extremt smal inre por som klämmer ner vatten till en enfilskonfiguration som möjliggör extremt hög vattengenomsläpplighet, med transporthastigheter som överstiger 1 miljard vattenmolekyler per sekund genom varje por.

"Kolnanorör representerar några av de mest lovande ställningsstrukturerna för konstgjorda vattenkanaler på grund av den låga friktionen av vatten på deras släta inre ytor, som efterliknar de biologiska vattenkanalerna, sa Alex Noy, LLNL-kemist och en ledande medförfattare till rapporten.

Teamet utvecklade CNT-poriner (CNTP) - korta segment av CNT som självinförs i biomimetiska membran - som bildar konstgjorda vattenkanaler som efterliknar aquaporinkanalfunktionalitet och intrakanaligt enfilsvattenarrangemang. Forskare mätte sedan vatten- och kloridjontransport genom CNTP:er med 0,8 nm diameter med fluorescensbaserade analyser. Datorsimuleringar och experiment med CNT-porer i lipidmembran visade mekanismen för förbättrat flöde och stark jonavstötning genom inre kanaler av kolnanorör.

"Denna process gjorde det möjligt för oss att bestämma det exakta värdet av vatten-saltpermselektivitet i smala CNT-porer, " sa LLNL materialforskare och ledande medförfattare Tuan Anh Pham, som ledde simuleringsinsatserna för studien. "Atomistiska simuleringar ger en detaljerad bild i molekylär skala av vatten som kommer in i CNTP-kanalerna och stödjer aktiveringsenergivärdena."