Proces odsolování maximalizuje průtok pro nižší čištění vody

Tento 3D model membrány pro odsolování polymeru ukazuje tok vody stříbrnými kanály, pohybující se nahoru a dolů, vyhýbající se hustým místům na membráně a pomalému toku. Půjčka Obrázek Ganapathysubramanian Research Group / Iowa State University և Gregory Foss / Texas Advanced Computing Center

Příroda přišla na to, jak vyrobit krásné membrány.

Biologické membrány pronikají správnými materiály do buněk, zatímco ty špatné nepropouštějí. A jak vědci zdůrazňují v nedávném článku v časopise Věda:, jsou pozoruhodné – ideální pro svou práci.

Nemusí však být ideální pro rozsáhlé průmyslové práce, jako je čerpání slané vody k těžbě soli, výroba čerstvé vody k pití, zavlažování plodin, napájení hospodářských zvířat nebo výroba energie.

Můžeme se poučit z těchto vysoce výkonných biologických membrán? Můžeme aplikovat strategii homogenního designu přírody na výrobu, polymerní membrány? Můžeme kvantifikovat, díky čemuž některé z těchto průmyslových membrán fungují lépe než jiné?

Výzkumníci z Iowa State University, Penn State University, University of Texas v Austinu, DuPont Water Solutions և Dow Chemical Co., vedená Enrique Gomezem z Penn և Manish Kumar, Texas, použitý transmisní elektronový mikroskop և 3D výpočetní modelování odpovědí.

Baskar Ganapatisubramanyan z Iowy, C. Ozef S. A Elizabeth A. Anderlik, profesor inženýrství na katedře strojního inženýrství a Biswajit Kharan, PhD ve strojírenství, se podělili o své zkušenosti v oblasti aplikované matematiky, vysoce výkonných výpočtů և 3D modelování.

Vědci zjistili, že vytvoření jednotné hustoty nanoměřítka jedné miliardtiny membrány by mohlo hrát roli při maximalizaci práce reverzní osmózy a membrán filtrujících vodu. Jejich objev nedávno zveřejnil časopis Věda: և bude obálkou tiskového vydání z 1. ledna 2021.

Při práci s měřením transmisní elektronové mikroskopie Penn State čtyřmi různými polymerními membránami používanými k odsolování vody předpověděli inženýři z Iowy tok vody přes 3D modely membrán, což umožňuje podrobnou srovnávací analýzu toho, proč některé membrány fungují lépe než jiné.

„Simulace dokázaly vytlačit, že homogennější membrány, které nemají„ horká místa “, mají homogenní tok a lepší výkon,“ uvedl Ganapatisubramanyan. „Tajnou složkou je méně heterosexualita.“

Jen se podívej Věda: Vědci ve státě Iowa vytvořili obrázek vytvořený pomocí Texas Advanced Computing Center. Říká Kharan. Zlatá, zrnitá houbovitá struktura ve středu ukazuje hustší a méně husté oblasti v membráně zastavující sůl; stříbrné vlny ukazují, jak voda teče. a modrá níže označuje vodu při nižším tlaku ցածր nižší koncentraci soli.

„Ve 3D vrstvách můžete vidět obrovské rozdíly v charakteristikách toku,“ řekl Kharan.

Nejvýznamnější jsou stříbrné čáry, které ukazují vodu pohybující se kolem hustých bodů membrány.

„Ukazujeme, jak se koncentrace vody mění přes membránu.“ Ganapathysubramanian hovořil o modelech, jejichž řešení vyžadovalo vysoce výkonné výpočty. „To je krásné. Ještě nikdy se to nedělo, protože taková přesná 3D měření nebyla k dispozici, և také proto, že takové simulace jsou nepodstatné.“

Přidáno Stigma. „Simulace představovaly výpočetní výzvy, protože difúze v homogenní membráně se může lišit o šest řádů.“

Článek tedy uzavírá, že klíčem k lepšímu odsolování membrán je zjistit, jak měřit և řízení hustoty membrán produkovaných ve velmi malém měřítku. Výrobní inženýři a vědci v oboru materiálů musí sjednotit hustotu v celé membráně, čímž zvýší tok vody, aniž by obětovali odstraňování solí.

Toto je další příklad výpočtové práce Ganapisubramanyanovy laboratoře, která pomáhá řešit velmi základní, ale praktický problém.

„Tyto simulace poskytly spoustu informací k nalezení klíče k zefektivnění odsolovací membrány,“ uvedl Ganapisubramanyan, jehož práce byla částečně podpořena dvěma granty od National Science Foundation.

Odkaz. 2020 31. prosince Věda:,
DOI: 10.1126 / science.abb8518:

Projekt vedli Enrique Gomez, profesor chemického inženýrství, vědy o materiálech a inženýrství na Penn State University a Manish Kumar, docent civilního, architektonického a environmentálního inženýrství na Texaské univerzitě v Austinu.

Také ze státní univerzity v Iowě: Biswajit Kharan, Baskar Ganapatisubramanyan; Penn State: Tyler Culp, Caitlin Brick, Michael Geithner, Tawanda Zim Imudzi, Andrew yd Idney; Od společnosti DuPont Water Solutions: od Effrey Wilbur, Steve unce; և od společnosti Dow Chemical Co. Abhishek Roy, Mou Paul.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Vědci navrhují vzorky tekutých krystalů s vlastním pohonem

Nový výzkum ukazuje, že pohyb tekutých krystalů lze použít k nasměrování vývoje autonomních materiálů, které dokáží snímat vstupy, zesilovat signály a dokonce vypočítávat informace....

Činnosti v rizikových kruzích mozku mohou předpovídat změny cen akcií

Podle Společnost pro neurovědy 8. března 2021 Celý mozek potvrzuje, že aktivita v predikovaných oblastech předpovídá směr a skloňování ceny akcií. Nahoře, směr ceny akcií:...

Nenásytná poptávka po konopí vytváří obrovskou uhlíkovou stopu

Emise skleníkových plynů z životního cyklu pěstování konopí modelované v USA po celém světě Uznání: Hailey Summers / Colorado State University Vědci z Colorado State...

Hubble objevil nádhernou hvězdnou školku

po Evropská kosmická agentura / Hubble 8. března 2021 AFGL 5180, školka krásných hvězd v souhvězdí Blíženců (Gemini), byla zachycena Hubbleovým kosmickým dalekohledem. Poděkování: ESA /...

Biologové a matematici z MIT odhalují, jak se vajíčka tak zvětšují

Zasunuté ošetřovatelské buňky ovocných mušek vytlačují jejich obsah do velké vaječné buňky. Uznání: Jasmine Imran Elsus Růst vajec závisí na fyzikálních jevech, které brání...

Newsletter

Subscribe to stay updated.