Membranbaserade system har stor potential som lågenergialternativ i applikationer som avsaltning, farmaceutisk återvinning, rening och avfallsbehandling.

Forskare vid Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) har skapat de största defektfria membranen som hittills rapporterats som fullt ut utnyttjar de unika masstransportegenskaperna hos kolnanorör som flödeskanaler. Detta arbete publicerades nyligen online i Avancerad vetenskap .

Kemiskt robusta material som selektivt transporterar molekyler i hög hastighet är nyckeln för att utveckla avancerade membransystem som överträffar toppmoderna produkter. Kolnanorör – helt kolkanaler med mer än 50, 000 gånger tunnare än ett människohår – tillhör denna klass av mycket lovande membranbyggstenar. Till skillnad från konventionella porösa material, dessa små kanaler möjliggör exceptionellt snabbt gas- och vätskeflöde som blir ännu snabbare när rören blir mindre

För att skörda mest nytta av dessa extraordinära material, Att maximera tätheten av öppna kolnanorör över membranet är avgörande. Forskare vid LLNL växte med hög densitet, enkelväggiga nanorör på 4-tums kiselwafers och använde dem för att skapa membran med exceptionella transportegenskaper i stor skala.

"Att skala upp kolnanorörsmembran utan att införa läckor är ingen liten uppgift, " sa huvudförfattaren och LLNL postdoktorala forskaren Melinda Jue. "Vi kontrollerar och karakteriserar våra membran rigoröst för att säkerställa att de är defektfria innan vi använder dem för att noggrant mäta flödesförbättring."

Det finns 10 gånger fler ledande nanorör i dessa stora membran än vad som tidigare uppnåtts.

"Genom att använda en hög densitet av kolnanorör som transportvägar, vi kan göra membran som är 6, 200 gånger mer vattengenomsläpplig än vad som förutspåtts av teorin och har vattenflöde upp till 10 gånger större än kommersiellt tillgängliga membran med liknande porstorlek, sa Francesco Fornasiero, LLNL-forskaren som leder projektet.

Tillsammans med att kvantifiera transportförbättringen som möjliggörs av kolnanorör, forskargruppen undersökte nanofiltreringsförmågan hos dessa kolnanorörsmembran med stor yta.

"Du kan tänka dig att använda dessa membran för att effektivt separera högsaltlösningar där du vill ta bort saltet samtidigt som du koncentrerar den mer värdefulla komponenten, " sa Jue.

Prestandaförsämring på grund av nedsmutsning är ett stort hinder i den utbredda användningen av membranteknologier, och för att motverka dess effekter krävs behandling av membranen med starka kemikalier. Den robusta naturen hos kolnanorör och polymermatrisen leder också till utmärkt kemisk stabilitet, möjliggör enkel rengöring av membranen. "Så när membranet blir smutsigt, du kan rengöra den med blekmedel utan att behöva oroa dig för nedbrytning som med typiska polymermembran, " sa Jue.