בטיחות מים היא אחד האתגרים המרכזיים של החברה של ימינו, ומסיבה זו, יש צורך בפיתוח טכנולוגיות יעילות וחסכון באנרגיה לטיהור מים.
ננופילטרציה (NF) היא טכנולוגיית ממברנה חדשה מונעת לחץ המסירה יונים רב ערכיים וחומרים אורגניים מולקולריים קטנים עם צריכת אנרגיה נמוכה ונמצאת בשימוש נרחב בייצור מי שתייה, מים עירוניים וטיפול בשפכים תעשייתיים.
ממברנות ננו-סינון פוליאמיד הן המוצר המוביל בשוק מאז סוף שנות ה-70. המבנה המרוכב של הסרט הדק שלהם מורכב מתמיכת נקבוביות ושכבת פוליאמיד דו מימדית (2D), בעלת סלקטיביות חדירה מעולה. עם זאת, למרות התקדמות מסוימת שנעשתה באמצעות שיפורים בעיצוב מונומרים, ננו-מרוכבים ותהליכי ייצור, חדירות המים של ממברנות פוליאמיד עדיין נמוכה יחסית, מה שמגביל את היישומים התעשייתיים הרחבים יותר שלהם.
בשנים האחרונות, עיצובים חדשים כמו מבני טיורינג ננומטריים ומשטחים מקומטים הרחיבו את אזור הסינון, אבל הם בעצם האבולוציה של ממברנות דו-ממדיות. בעתיד, יש צורך לפתח מבנים חדשים משבשים כדי לשפר עוד יותר את ביצועי ההפרדה, תוך הבנה עמוקה של הקשר בין עיבוד למבנה כדי לספק פתרונות חדשניים בתחום טיהור המים.
כאן, Wu Chunrui, חוקר באוניברסיטת טיאנג'ין הפוליטכנית, דיווח על הכנת קרום פוליאמיד מעורב-ממדי בשטח גדול על ידי הרכבה עצמית מהירה של שתי מולקולות קטנות בממשק שמן-מים בטמפרטורת החדר.
לממברנה מבנה היררכי ייחודי המורכב מננו-צינוריות חד-ממדיות הגדלות על פני השטח של ננו-ממברנה דו-ממדית. מבנה חדשני זה מגדיל באופן משמעותי את שטח הובלת המים האפקטיבי ליחידת שטח מוקרן, מה שהופך את ביצועי הפרדת המים-מלח של הממברנה לעולים בהרבה על חומרי הממברנה המתקדמים ביותר הקיימים כיום.
באמצעות ניסויי בקרה בשילוב הדמיות דינמיקה מולקולרית, המחברים מצאו ששתי מולקולות המונומר התארגנו באופן ספונטני לרשת ננו-פוריים דו-ממדית בתחילת התגובה, והצמיחה כלפי מעלה של הננו-צינוריות מונעת על ידי פעולה נימית בתוך הננו-נקבובית.
איור: תרשים סכמטי של קרום פוליאמיד מעורב-מימדי עם מבנה NoN, בהשוואה זה לצד זה עם קרום פוליאמיד דו מימדי מישורי
מחקר זה מספק תובנות חשובות לגבי האופן שבו אינטראקציות פיזיות וכימיות ממשקיות מרכיבות מולקולות בעצמן לננו-מבנים היררכיים מורכבים בקנה מידה גדול בתנאי סביבה, ופותחת נתיבים חדשים לפיתוח של ממברנות לטיהור מים מעורב-ממדיות ניתנות להרחבה. התוצאות הקשורות פורסמו ב-Nature Water תחת הכותרת Interfacial self-organization של ממברנות פוליאמיד מעורבות-ממדיות בשטח גדול עבור ננו-סינון מימי מהיר, עם Si-Hua Liu כמחבר הראשון.
תקציר: כאן, השתמשנו בהצלחה בגישת פולי עיבוי ממשק כדי להשיג ייצור בקנה מידה גדול של ממברנות פוליאמיד מעורבות מממדים בשלב אחד. ארכיטקטורת ה-NoN הייחודית סוללת את הדרך לממברנות NF חסכוניות באנרגיה המציגות חדירות מים וסלקטיביות מים-מלח מעולה. תהליך ייצור זה ניתן להגדלה בקלות באמצעות ציפוי מגלגל לגליל ויש לו יישומים מעשיים מבטיחים בייצור מי שתייה כמו גם בטיפול בשפכים עירוניים ותעשייתיים. תובנות תיאורטיות שהושגו מעבודה זו חושפות את המורכבות של עיבוי רב-משטחי, במיוחד בניצול הגומלין בין אינטראקציות פיזיות וכימיות. המחברים מאמינים שממצאים אלו מספקים השראה לפיתוח טכנולוגיות ננו-ייצור מתקדמות לבטיחות מים.