Membran av vertikalt inriktade kolnanorör (VaCNT) kan användas för att rengöra eller avsalta vatten med hög flödeshastighet och lågt tryck. Nyligen genomförde forskare vid Karlsruhe Institute of Technology (KIT) och partners steroidhormonadsorptionsexperiment för att studera krafternas samspel i de små porerna.
De fann att VaCNT med specifik porgeometri och porytstruktur är lämpade för användning som mycket selektiva membran. Deras studie publiceras i Nature Communications .
Rent dricksvatten är av avgörande betydelse för alla människor världen över. Membran används för att effektivt ta bort mikroföroreningar, såsom steroidhormoner som är skadliga för hälsa och miljö. Ett mycket lovande membranmaterial är tillverkat av vertikalt riktade kolnanorör (VaCNT).
"Det här materialet är fantastiskt - med små porer på 1,7 till 3,3 nanometer i diameter, en nästan perfekt cylindrisk form och liten vridning", säger professor Andrea Iris Schäfer, som leder KIT:s Institute for Advanced Membrane Technology (IAMT). "Nanorören ska ha en mycket adsorberande effekt, men bara ha en mycket låg friktion." För närvarande är porerna för stora för effektiv kvarhållning, men mindre porer är ännu inte möjliga tekniskt.
I experiment med steroidmikroföroreningar har IAMT-forskare studerat varför VaCNT-membran är perfekta vattenfilter. De använde membran tillverkade av Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) i Livermore (Kalifornien). Resultatet:Den låga adsorptionen av VaCNT, d.v.s. avsättning på ytan, är önskvärd för mycket selektiva membran som riktar sig mot speciella ämnen.
Studien avslöjar att adsorption i membrannanoporer inte bara beror på adsorptionsytan och den begränsade massöverföringen, utan också på samspelet mellan hydrodynamiska krafter, friktion och krafterna för attraktion och repulsion vid vätskevägggränsytan. Mycket vattengenomsläppliga nanoporer uppvisar låg interaktion på grund av den lilla friktionen och den höga flödeshastigheten.
"När molekylerna inte hålls kvar på grund av deras storlek, kommer interaktionen med materialet ofta att avgöra vad som händer. Molekylerna kommer att studsa genom membranet som liknar en klättrare som klättrar på en vägg. Detta är mycket lättare när det finns många bra klätterhåll." Schäfer förklarar. Studier som den som utförts av IAMT hjälper till att specifikt utforma porgeometri och porytstruktur.
Tio år att förvandla idén till ett experiment
Membranen utvecklades av Dr Francesco Fornasiero och hans team vid LLNL. Experimenten med mikroföroreningarna utfördes och utvärderades med de senaste analysinstrumenten vid IAMT. "Det tog ungefär 10 år att omvandla idén till ett framgångsrikt experiment som har mött det breda intresset från membranteknologiska samfundet", säger Schäfer.
Framställning av sådana nästan perfekta membran är extremt svårt. På större ytor på några kvadratcentimeter är sannolikheten för defekter mycket stor. Och defekter skulle påverka resultatet. Under de senaste åren har LLNL lyckats tillverka membran på större ytor. Parallellt byggde IAMT-forskare mycket små filtreringssystem för experiment för att hålla kvar spår av föroreningar på två kvadratcentimeter.
"Downskalning är extremt svårt. Att ha klarat det här tillsammans är en stor framgång", säger Schäfer. "Nu väntar vi på utvecklingen av membran med ännu mindre porer."
Studien var den första som fokuserade på samspelet mellan hydrodynamiska krafter, friktion och attraktions- och repulsionskrafter. Den ger grundläggande resultat med avseende på vattenbearbetning. Dessa kan gynna ultra- och nanofiltreringsprocesser som kontrolleras av nanoporer.
Mer information: Minh N. Nguyen et al, Samspel mellan de krafter som styr steroidhormon-mikroföroreningsadsorption i vertikalt riktade nanoporer i kolnanorörsmembran, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-44883-2
Tillhandahålls av Karlsruhe Institute of Technology
