研究人员向高性能海水淡化膜迈进

2022-02-23 / 作者:猫咪资讯 / 来源:网络整理 / 阅读:281 /
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生物膜可以获得非常高的渗透性,同时依靠膜蛋白形式的均匀内部结构保持理想的选择性。在新的研究中,由宾夕法尼亚州立大学和德克萨斯大学奥斯汀分校领导的科学家团队将这种设计策略应用于脱盐聚酰胺膜。这个聚合物脱盐膜的3D模型显示水避免了膜中的密集点并减缓了流动;膜上方的红色表示水处于较高压......

生物膜可以获得非常高的渗透性,同时依靠膜蛋白形式的均匀内部结构保持理想的选择性。在新的研究中,由宾夕法尼亚州立大学和德克萨斯大学奥斯汀分校领导的科学家团队将这种设计策略应用于脱盐聚酰胺膜。

This 3D model of a polymer desalination membrane shows water avoiding dense spots in the membrane and slowing flow; red above the membrane shows water under higher pressure and with higher concentrations of salt; the gold, granular, sponge-like structure in the middle shows denser and less-dense areas within the salt-stopping membrane; silver channels show how water flows through; and the blue at the bottom shows water under lower pressure and with lower concentrations of salt. Image credit: Ganapathysubramanian Research Group / Iowa State University / Gregory Foss, Texas Advanced Computing Center.

这个聚合物脱盐膜的3D模型显示水避免了膜中的密集点并减缓了流动;膜上方的红色表示水处于较高压力下,盐浓度较高;中间的金、粒状、海绵状结构显示了阻盐膜内密度较大和密度较小的区域;银色通道显示水是如何流过的;底部的蓝色表示水的压力较低,盐的浓度较低。影像学分:加纳帕提苏布拉马尼亚研究小组/爱荷华州立大学/格雷戈里·福斯,德州高级计算中心。

来自爱荷华州立大学、宾夕法尼亚州立大学、德克萨斯大学奥斯汀分校、杜邦水解决方案公司和陶氏化学公司的恩里克·戈麦斯博士、马尼什·库马尔博士和他们的同事发现,创造一个均匀的膜密度,达到十亿分之一米的纳米级,对于最大限度地提高反渗透、水过滤膜的性能至关重要。

利用透射电子显微镜对用于水脱盐的四种不同聚合物膜的测量,他们预测了通过膜的3D模型的水流,从而能够详细比较分析为什么一些膜比其他膜表现更好。

“模拟能够梳理出更均匀的膜& # 8212;没有“热点”的。具有均匀的流动和更好的性能。爱荷华州立大学的研究员巴斯卡尔·加纳帕提苏布拉曼尼安教授说。

爱荷华州立大学的博士生比斯瓦吉特·卡拉(Biswajit Khara)补充说:“看看我们在德克萨斯州高级计算中心的帮助下创建的图像就知道了。

Ganapathysubramanian教授说:“我们正在展示水的浓度如何在整个膜上变化。

“这太美了。以前没有这样做过,因为没有这样详细的三维测量,也因为这样的模拟执行起来并不简单。”

“模拟本身带来了计算上的挑战,因为非均匀膜内的扩散率可能相差六个数量级,”卡拉说。

更好的脱盐膜的关键是弄清楚如何在非常小的规模上测量和控制制造的膜的密度。

制造工程师和材料科学家需要使整个膜的密度均匀,从而在不牺牲盐去除的情况下促进水流。

Ganapathysubramanian教授说:“这些模拟为找出使脱盐膜更有效的关键提供了大量信息。

该团队的工作发表在《科学》杂志上。

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泰勒·卡尔普等人,2021年。内部不均匀性的纳米级控制增强了脱盐膜中的水传输。科学371(6524):72-75;doi: 10.1126/science.abb8518


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