Sauberes Wasser berechnen

Wasser ist vielleicht die kritischste natürliche Ressource der Welt. Angesichts der wachsenden Nachfrage und der steigenden Wasserressourcen suchen Wissenschaftler nach innovativeren Möglichkeiten zur Nutzung und Wiederverwendung von vorhandenem Wasser sowie nach neuen Materialien zur Verbesserung der Wasseraufbereitungsmethoden. Synthetisch geformte semipermeable Polymermembranen, die zur Entfernung von verunreinigten gelösten Stoffen verwendet werden, können ein verbessertes Verarbeitungsniveau bieten und die Energieeffizienz der Wasserreinigung erhöhen; Bestehende Wissenslücken begrenzen jedoch die transformativen Fortschritte in der Membrantechnologie. Ein grundlegendes Problem besteht darin zu lernen, wie sich die Nähe oder Anziehungskraft zwischen gelösten Stoffen und Membranoberflächen auf viele Aspekte des Wasseraufbereitungsprozesses auswirkt.

“Verunreinigungen, bei denen gelöste Stoffe an Membranen haften und zerfallen – verringern die Leistung erheblich und sind ein großes Hindernis für die Entwicklung von Membranen zur Reinigung des produzierten Wassers”, sagte M. Scott Shell, Professor für Chemieingenieurwesen an der UC Santa Barbara, der Computersimulationen durchführt. “Wenn wir grundlegend verstehen können, wie die Haftung von gelösten Stoffen durch die chemische Zusammensetzung von Membranoberflächen beeinflusst wird, können wir damit beginnen, eine neue Generation kontaminationsresistenter Membranen zu entwickeln, mit denen eine Vielzahl von gelösten Stoffen einschließlich möglicher Muster funktioneller Gruppen auf diese Oberflächen gesprüht werden können. “”

In einem Artikel, der in den Proceedings der National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht wurde, haben Shell und der Hauptautor Jacob Monroe, Ph.D. Ein Absolvent der Abteilung und ehemaliges Mitglied der Shell-Forschungsgruppe erklärt die Eignung makroskopischer Charakterisierungen der Nähe vom gelösten Stoff zur Oberfläche.

“Wechselwirkungen zwischen gelösten Stoffen und Oberflächen in Wasser bestimmen das Verhalten einer Vielzahl physikalischer Phänomene und Technologien, sind jedoch besonders wichtig bei der Wassertrennung und -reinigung, bei der die meisten verschiedenen Arten von gelösten Stoffen extrahiert oder eingefangen werden müssen”, sagte Monroe. Postdoktorand am Nationalen Institut für Standards und Technologie (NIST). „Diese Arbeit befasst sich mit großen Herausforderungen beim Verständnis, wie eine neue Generation von Membranen entwickelt werden kann, die jedes Jahr große Mengen stark kontaminierter Wasserquellen verarbeiten können, z. B. solche, die bei Ölfeldbetrieben mit hohen Konzentrationen an gelösten Stoffen und unterschiedlichen Chemikalien hergestellt werden.

Gelöste Stoffe werden häufig als ein Bereich von hydrophil bis hydrophob oder Wasseraversion charakterisiert, der als wasserartig und in Wasser leicht löslich angesehen werden kann und bevorzugt von wasserähnlichem Öl getrennt wird. Oberflächen decken den gleichen Bereich ab; Beispielsweise sammelt sich Wasser auf hydrophoben Oberflächen und verteilt sich auf hydrophilen Oberflächen. Hydrophile gelöste Stoffe haften gerne an hydrophilen Oberflächen und hydrophobe gelöste Stoffe haften an hydrophoben Oberflächen. Hier bestätigten die Forscher die “Like Like” -Erwartung, stellten jedoch überraschenderweise fest, dass das gesamte Bild komplexer war.

In Bezug auf die acht gelösten Stoffe sagte Monroe: “Unter den zahlreichen Chemien, die wir in Betracht ziehen, haben wir festgestellt, dass hydrophile gelöste Stoffe auch hydrophobe Oberflächen mögen und hydrophobe gelöste Stoffe auch hydrophile Oberflächen lieben, aber diese Anziehungskräfte sind schwächer als diejenigen, die geliebt werden.” Die Gruppe von Ammoniak und Borsäure bis zu Isopropanol und Methan wurde getestet. Die Gruppe wählte die niedermolekularen gelösten Stoffe aus, die typischerweise in den produzierten Wässern vorkommen, um eine grundlegende Perspektive auf die Oberflächenaffinität gelöster Stoffe zu erhalten.

Die Computerforschungsgruppe entwickelte einen Algorithmus zum Umgestalten von Oberflächen durch Umordnen chemischer Oberflächengruppen, um die Affinität eines bestimmten gelösten Stoffs zur Oberfläche zu minimieren oder zu maximieren, oder alternativ die Oberflächenaffinität eines gelösten Stoffs gegenüber einem anderen. Der Ansatz basierte auf einem genetischen Algorithmus, der Oberflächenmuster ähnlich der natürlichen Selektion “entwickelte” und sie für ein bestimmtes Funktionsziel optimierte.

Durch Simulationen entdeckte das Team, dass die Oberflächenaffinität schlecht mit herkömmlichen Methoden der löslichen Hydrophobizität korreliert, z. B. wie löslich eine wasserlösliche Substanz ist. Stattdessen fanden sie eine stärkere Verbindung zwischen der Oberflächenaffinität und der Fähigkeit von Wassermolekülen in der Nähe einer Oberfläche oder eines gelösten Stoffs, ihre Struktur als Reaktion zu ändern. In einigen Fällen mussten diese benachbarten Gewässer ungünstige Strukturen annehmen; Durch die Annäherung an hydrophobe Oberflächen können gelöste Stoffe die Anzahl solcher ungünstigen Wassermoleküle verringern und eine allgemeine treibende Kraft für die Affinität bereitstellen.

“Die fehlende Zutat bestand darin, zu verstehen, wie Wassermoleküle in der Nähe einer Oberfläche strukturiert sind und sich um sie herum bewegen”, sagte Monroe. “Insbesondere nehmen die Schwankungen der Wasserstruktur in der Nähe von hydrophoben Oberflächen im Vergleich zu Wasser in großen Mengen oder Wasser von der Oberfläche weg zu. Wir haben festgestellt, dass die Wellen die Klebrigkeit jeder kleinen Art von gelöstem Stoff, die wir getestet haben, erhöhen.”

Das Ergebnis ist wichtig, da es zeigt, dass sich Forscher bei der Gestaltung neuer Oberflächen auf die Reaktion der Wassermoleküle um sie herum konzentrieren und vermeiden sollten, sich von traditionellen Hydrophobizitätsmessungen leiten zu lassen.

Basierend auf ihren Erkenntnissen sagen Monroe und Shell, dass Oberflächen, die aus verschiedenen Arten der molekularen Chemie bestehen, der Schlüssel zur Erreichung mehrerer Leistungsziele sein könnten, beispielsweise um zu verhindern, dass verschiedene gelöste Stoffe eine Membran kontaminieren.

“Oberflächen mit mehreren chemischen Gruppen bieten ein großes Potenzial. Wir haben gezeigt, dass nicht nur das Vorhandensein verschiedener Oberflächengruppen, sondern auch deren Anordnung oder Muster die Affinität der Oberfläche des gelösten Stoffs beeinflusst”, sagte Monroe. “Durch einfaches Umordnen des räumlichen Musters wird es möglich, die Oberflächenaffinität eines bestimmten gelösten Stoffes signifikant zu erhöhen oder zu verringern, ohne die Anzahl der vorhandenen Oberflächengruppen zu ändern.”

Laut dem Team zeigen ihre Ergebnisse, dass Berechnungsmethoden in erheblichem Maße zu Membransystemen der nächsten Generation für eine nachhaltige Wasseraufbereitung beitragen können.

“Diese Studie lieferte einen detaillierten Blick auf Wechselwirkungen auf molekularer Ebene, die die Affinität von gelösten Stoffen zur Oberfläche steuern”, sagte John E. Myers, Gründungspräsident von Chemical Engineering. “Darüber hinaus zeigt es, dass die Oberflächenstrukturierung eine leistungsstarke Entwurfsstrategie für technische Membranen bietet, gegen Kontamination durch verschiedene Verunreinigungen beständig ist und genau steuern kann, wie jede Art von gelöstem Stoff getrennt wird. Membransysteme der neuen Generation, die auf irgendeine Weise reinigen können.”

Die meisten untersuchten Oberflächen waren vereinfachte Modellsysteme, um die Analyse und das Verständnis zu erleichtern. Die Forscher sagen, dass der nächste natürliche Schritt darin bestehen wird, immer komplexere und realistischere Oberflächen zu untersuchen, die die bei der Wasseraufbereitung verwendeten realen Membranen genauer nachahmen. Ein weiterer wichtiger Schritt, um die Modellierung näher an das Membrandesign heranzuführen, besteht darin, nicht nur zu verstehen, wie klebrig eine Membran ist, um Material zu lösen, sondern auch die Geschwindigkeit zu berechnen, mit der sich gelöste Stoffe über Membranen bewegen.