Att minska energikostnaderna och därmed de ekonomiska kostnaderna, samt att förbättra enkelheten i avsaltning av vatten, skulle kunna hjälpa samhällen runt om i världen med dålig tillgång till rent dricksvatten. Kredit:© 2022 Itoh et al.
Vattenbrist är ett växande problem runt om i världen. Avsaltning av havsvatten är en etablerad metod för att producera dricksvatten men kommer med enorma energikostnader. För första gången använder forskare fluorbaserade nanostrukturer för att framgångsrikt filtrera salt från vatten. Jämfört med nuvarande avsaltningsmetoder fungerar dessa fluorhaltiga nanokanaler snabbare, kräver mindre tryck och mindre energi och är ett effektivare filter.
Om du någonsin har lagat mat med en teflonbelagd stekpanna med nonstick, så har du förmodligen sett hur våta ingredienser lätt glider runt den. Detta beror på att nyckelkomponenten i teflon är fluor, ett lättviktigt element som är naturligt vattenavvisande eller hydrofobt. Teflon kan också användas för att fodra rör för att förbättra vattenflödet. Sådant beteende uppmärksammades av docent Yoshimitsu Itoh från Institutionen för kemi och bioteknik vid University of Tokyo och hans team. Det inspirerade dem att utforska hur rör eller kanaler gjorda av fluor kan fungera på en helt annan skala, nanoskalan.
"Vi var nyfikna på att se hur effektiv en fluorhaltig nanokanal kan vara för att selektivt filtrera olika föreningar, i synnerhet vatten och salt. Och efter att ha kört några komplexa datorsimuleringar bestämde vi oss för att det var värt tiden och ansträngningen att skapa ett fungerande prov, " sa Itoh. "Det finns två huvudsakliga sätt att avsalta vatten för närvarande:termiskt, att använda värme för att förånga havsvatten så att det kondenserar som rent vatten, eller genom omvänd osmos, som använder tryck för att tvinga vatten genom ett membran som blockerar salt. Båda metoderna kräver mycket energi. , men våra tester tyder på att fluorhaltiga nanokanaler kräver lite energi och har andra fördelar också."
Teamet skapade testfiltreringsmembran genom att kemiskt syntetisera nanoskopiska fluorringar, som staplades och bäddades in i ett annars ogenomträngligt lipidskikt, liknande de organiska molekylerna som utgör cellväggarna. De skapade flera testprover med nanorering mellan cirka 1 och 2 nanometer. Som referens är ett människohår nästan 100 000 nanometer brett. För att testa effektiviteten hos deras membran mätte Itoh och teamet närvaron av klorjoner, en av saltets huvudkomponenter – den andra är natrium – på vardera sidan av testmembranet.
"Det var väldigt spännande att se resultaten från första hand. De mindre av våra testkanaler avvisade perfekt inkommande saltmolekyler, och även de större kanalerna var fortfarande en förbättring jämfört med andra avsaltningstekniker och till och med banbrytande kolnanorörsfilter", säger Itoh. "Den verkliga överraskningen för mig var hur snabbt processen gick. Vårt prov fungerade flera tusen gånger snabbare än typiska industriella apparater och cirka 2 400 gånger snabbare än experimentella kolnanorörsbaserade avsaltningsanordningar."
Eftersom fluor är elektriskt negativt stöter det bort negativa joner såsom klor som finns i salt. Men en extra bonus med denna negativitet är att den också bryter ner vad som kallas vattenkluster, i huvudsak löst bundna grupper av vattenmolekyler, så att de passerar genom kanalerna snabbare. Teamets fluorbaserade vattenavsaltningsmembran är effektivare, snabbare, kräver mindre energi för att fungera och är gjorda för att vara mycket enkla att använda också, så vad är haken?
"För närvarande är sättet vi syntetiserar våra material på relativt energikrävande i sig, men detta är något vi hoppas kunna förbättra i kommande forskning. Och med tanke på membranens livslängd och deras låga driftskostnader kommer de totala energikostnaderna att vara mycket lägre än med nuvarande metoder," sa Itoh. "Andra steg vi vill ta är naturligtvis att skala upp detta. Våra testprover var enstaka nanokanaler, men med hjälp av andra specialister hoppas vi kunna skapa ett membran runt 1 meter i diameter på flera år. Parallellt med dessa tillverkningsproblem, vi undersöker också om liknande membran kan användas för att minska koldioxid eller andra oönskade avfallsprodukter som släpps ut av industrin."
Resultaten publiceras i Science . + Utforska vidare
