海水淡化突破最大化流动以便更便宜的水过滤

3D聚合物海水淡化膜的模型

该聚合物脱盐膜的3D模型显示出水流 - 银通道,从顶部移动到底部 - 避免膜中的致密斑点和减速流动。信用:由Ganapathysubramanian研究小组/爱荷华州立大学和Gregory Foss / Texas先进计算中心的图像

自然已经弄清楚如何制造良好的膜。

生物膜让正确的东西进入细胞,同时保持错误的东西。而且,随着研究人员在截止日志发布的一篇论文中科学,他们是卓越的,是工作的理想人选。

但它们不一定适合大批量的工业工作,比如将盐水穿过薄膜去除盐分,制造淡水供饮用、灌溉作物、家畜灌溉或制造能源。

我们可以从那些高性能的生物膜中学习吗?我们可以应用大自然的均匀设计策略,制造,聚合物膜吗?我们可以量化什么让一些工业膜比其他工业膜更好吗?

宾夕法尼亚州立大学的研究人员,德克萨斯州德克萨斯大学,杜邦水解决方案和道德化工有限公司 - 由德克萨斯州邦州恩恩州的恩尼克·戈麦斯和德克萨斯州德克萨斯州的德州 - 已经使用透射电子显微镜和3D计算建模看答案。

Iowa State’s Baskar Ganapathysubramanian, the Joseph C. and Elizabeth A. Anderlik Professor in Engineering from the department of mechanical engineering, and Biswajit Khara, a doctoral student in mechanical engineering, contributed their expertise in applied mathematics, high-performance computing and 3D modeling to the project.

研究人员发现,将均匀的膜密度降低到亿米的纳米级,对于最大化反渗透,水过滤膜的性能至关重要。他们的发现刚刚在线在线发布科学并将是1月1日,2021年1月1日的封面文件,印刷版。

使用Penn状态的透射电子显微镜测量,用于用于水脱盐的四种不同的聚合物膜,IOWA状态工程师通过膜的3D模型预测水流,允许详细的比较分析为什么一些膜比其他膜更好地表现。

“模拟能够梳理那些更均匀的膜 - 没有”热点“ - 具有统一的流动和更好的性能,”GanaPathysubramanian说。“秘密成分不均匀性。”

看看科学封面图像在德克萨斯高级计算中心的帮助下创建了爱荷华州的研究人员,克哈拉:膜上方的红色显示出水下的水,浓度较高;中间的金色,粒状,海绵状结构显示盐停止膜内的密集和较少的区域;银渠道显示水域如何流过;并且底部的蓝色显示出较低压力和较低浓度盐的水。

“你可以看到3D膜内流动特性的巨大变化,”Khara说。

最能说明问题的是显示水在膜中的密集点周围移动的银线。

“我们正在展示水的浓度是如何在膜上变化的。”Ganapathysubramanian谈到需要高性能计算才能解决的模型时说。“这是美丽的。这是以前从未做过的,因为无法获得如此详细的3D测量结果,而且这类模拟的执行并非微不足道。”

Khara补充道:“模拟本身就给计算带来了挑战,因为在非均匀膜内的扩散系数可以相差6个数量级。”

因此,本文得出结论,更好的海水淡化膜的关键是如何在非常小的尺度上测量和控制制造膜的密度。制造工程师和材料科学家需要在整个膜上使密度均匀,从而促进水流而不会牺牲盐去除。

这是Ganapathysubramanian的实验室的计算工作的另一个例子,帮助解决一个非常基本的实际问题。

“这些模拟为找出使脱盐膜更有效的关键提供了大量信息,”Ganapathysubramanian说,他在该项目上的工作得到了美国国家科学基金会的两项拨款的部分支持。

参考文献:“内部不均匀性的纳米级控制增强了海水淡化膜中的水运输”,BiswajitKhara,Kaitlyn P. Brickey,Michael Geitner,Tawanda J. Zimudzi,Jeffrey D.Wilbur,Steven D. Jons,Abhishek Roy,Mou Paul,Baskar Ganapathysubramanian,Andrew L. Zydney,Manish Kumar和Enrique D. Gomez,2020年12月31日,科学
DOI: 10.1126 / science.abb8518

该项目由宾夕法尼亚州立大学化学工程和材料科学与工程教授,德克萨斯大学奥斯汀大学的民用,建筑和环境工程副教授,Manish Kumar领导了该项目。

此外,来自爱荷华州立大学:Biswajit Khara,Baskar Ganapathysubramanian;来自宾夕法尼亚州:泰勒·克拉克,凯特林大基,迈克尔盖特纳,塔瓦桑德·苏德尼,安德鲁·Zydney;来自杜邦水解决方案:杰弗里威尔伯,史蒂夫济尔;来自Dow Chemical Co.: Abhishek Roy,Mou Paul。

4评论“海水淡化突破最大化流量较便宜的水过滤”

  1. 你必须意识到,这些高科技化学家迟早会想出一种不用高能量蒸馏过程就能淡化海水的方法。也许未来还是有希望的。海水转化为淡水,就像一个反渗透过滤器。一个垃圾筒大小的每天可以为四个人撒尿,或者类似的东西。

  2. 彼得福斯​​特|1月1日,2021年上午8:35|回复

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