Študija, izvedena na Politecnico di Torino (Italija) v tesnem sodelovanju z Massachusetts Institute of Technology (ZDA) in ki jo je objavila revija Nature Communications, kaže na inovativen način za izboljšanje učinkovitosti membran za razsoljevanje. V prihodnosti bi membrane za reverzno osmozo, izdelane s temi novimi merili, lahko razsolili morsko vodo z znatno nižjimi stroški
Razsoljevanje morske vode po znižanih stroških: to je ambiciozen cilj študije skupine inženirjev z Oddelka za energijo na Politecnico di Torino (Torino, Italija) v sodelovanju z Massachusetts Institute of Technology-MIT (Cambridge, ZDA) in Univerza v Minnesoti (Minneapolis, ZDA). Revija Nature Communications je pred kratkim objavila rezultate te raziskave in tako odprla novo pot v razvoju tehnologij za membranske postopke razsoljevanja, ki bi lahko zagotovile inovativne rešitve za trenutno vprašanje pomanjkanja vode v več državah.
Morsko vodo je mogoče razsoliti in narediti pitno s pomočjo membrane, in sicer "sita", ki lahko loči molekule vode od raztopljenih ionov soli. Energijo, potrebno v tem postopku ločevanja, lahko zagotovijo viri toplote, elektromagnetno polje ali hidravlični tlak. Raziskave, ki so jih predstavile italijanske in ameriške institucije, so se osredotočile predvsem na proces razsoljevanja z reverzno osmozo, ki temelji na sposobnosti nekaterih poroznih materialov – pod tlaki, večjimi od osmotskega –, da jih prežejo le molekule vode, medtem ko zavračanje ionov soli.
Ta proces si lahko bolje predstavljamo kot vrsto vozil, ki čakajo v čakalni vrsti na cestninskih postajah za vstop na avtocesto."Predpostavimo, da so motorna kolesa molekule vode, medtem ko so avtomobili raztopljeni ioni soli in da sta oba potrpežljiva v vrsti na cestninski postaji," ponazarjajo raziskovalci Politecnica. "Sedaj pa si predstavljajmo, da je odprtina cestninske postaje široka le en meter: motocikli bi zlahka premagali oviro in tako vstopili na avtocesto, avtomobili pa bi bili prisiljeni v vzvratno smer. Podobno membrane za reverzno osmozo omogočajo prevoz molekul vode, hkrati pa blokirajo raztopljene soli. Zato so za učinkovite membrane značilne velike hitrosti transporta vode pri fiksni vhodni energiji in učinkoviti površini, in sicer visoka prepustnost."
Raziskovalci na Politecnico di Torino, MIT in Univerzi v Minnesoti pa so naredili korak naprej, saj so lahko prvič razumeli mehanizme, ki uravnavajo vodni transport z ene strani (slana voda) na druga (sladka voda) membrane. Pravzaprav je raziskovalni laboratorij na MIT eksperimentalno izmeril difuzijski koeficient prežete vode, in sicer mobilnost vodnih molekul med prečkanjem membrane. Te membrane so narejene iz zeolita, ki je material, za katerega je značilna gosta (in urejena) mreža por s subnanometrskim premerom (manj kot milijarda metra). Vendar se zdi, da je eksperimentalni difuzijski koeficient vode skoraj milijonkrat nižji od tistega, ki ga pričakujejo simulacije in teoretične analize, kot so izmerili raziskovalci na Politecnico di Torino. Uganka, ki je zahtevala več kot dve leti dejavnosti med Torinom in Bostonom, zahvaljujoč skupnemu raziskovalnemu programu MITOR, ki ga financira Compagnia di San Paolo.
Raziskovalci nato pojasnjujejo: "Medtem ko so se prejšnje študije osredotočale predvsem na transportni proces znotraj membrane, smo pozornost preusmerili na dogajanje na površini, kjer bi dejansko lahko našli rešitev uganke." Pravzaprav transport vode skozi membrano ureja vrsta dveh pojavov: prvič, molekule vode morajo najti odprte pore (površinska odpornost proti transportu); nato lahko vstopijo in razpršijo znotraj membrane (volumetrična odpornost proti transportu), sčasoma pa puščajo z druge strani membrane."Če se vrnemo na prejšnjo primerjavo, lahko dodajanje nadaljnjih avtocestnih pasov pokaže kot nezadostno strategijo za pospešitev vožnje motoristov po avtocesti. Pravzaprav bi morali zagotoviti tudi zadostno število odprtih cestninskih postaj, da se izognemo prometni zastoji na vhodu (in izstopu) z avtoceste," pravijo raziskovalci.
Znanstveniki so tako pokazali, da je razlika v redu velikosti med teoretičnimi in eksperimentalnimi vrednostmi prepustnosti membrane posledica odpornosti proti transportu vode, ki jo kaže površina membran. Ta odpornost izvira iz trenutnih proizvodnih tehnik zeolitnih membran, ki povzročajo zaprtje več kot 99,9 % razpoložljivih ust por. Z drugimi besedami, molekule vode lahko prodrejo skozi minimalen delež (ena na tisoč) površinskih odprtin por: to povzroči učinek ozkega grla, ki upočasni celoten transport vode skozi membrano in tako drastično zmanjša prepustnost membrane. Po več kot dveh letih, preživetih na računalniških simulacijah in eksperimentih, so Matteo Fasano, Alessio Bevilacqua, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari (Laboratorij za večstransko modeliranje, Oddelek za energijo na Politecnico di Torino), Thomas Humplik, Evelyn Wang (Laboratorij za raziskave naprav, MIT) in Michael Tsapatsis (Tsapatsis Research Group, Univerza v Minnesoti) sta razkrila ta mehanizem in predlagala natančen fizični model celotnega procesa prepuščanja vode.
Te ugotovitve jasno kažejo, da je membrane za razsoljevanje naslednje generacije z izboljšanimi zmogljivostmi mogoče doseči s proizvodnimi tehnikami, ki omogočajo zmanjšanje površinske odpornosti na transport, in sicer odpiranje večjega deleža površinskih por. Raziskovalci ocenjujejo, da lahko membrane, izdelane po teh merilih, dosežejo 10-krat večjo prepustnost od sedanjih, s čimer se zmanjšajo obratovalni stroški v procesih razsoljevanja. To novo razumevanje površinskih in volumetričnih transportnih pojavov odpira nova tla tudi v drugih aplikacijah, v katerih se uporabljajo nanoporozni materiali: od tehnologij za trajnostno energijo (na primer toplotno shranjevanje) do odstranjevanja onesnaževal iz vode (na primer molekularna sita) do do nanomedicine (na primer dostava zdravil).
