Ett forskarlag från CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), Nanyang Technological University i Singapore och S N Bose National Centre for Basic Sciences har utvecklat en ny typ av extremt precis filtreringsmembran. Studien, publicerad i Journal of the American Chemical Society, beskriver en teknik som kan hjälpa industrier att minska energianvändningen och dramatiskt öka återanvändningen av vatten.

Många industriella aktiviteter är beroende av att separera olika ämnen från varandra. Dessa separationsprocesser är avgörande för uppgifter som läkemedelsrening, textilfärgbehandling och livsmedelsproduktion. Ändå är de bland de mest energikrävande operationerna inom tillverkning och står för ungefär 40% till 50% av den globala industriella energiförbrukningen. De flesta anläggningar förlitar sig fortfarande på traditionella metoder som destillation och avdunstning. Även om de är effektiva kräver dessa metoder stora mängder energi och bidrar betydligt till koldioxidutsläpp. Membranbaserad filtrering anses generellt vara ett renare alternativ, men konventionella polymermembran har ofta porer av ojämn storlek. Med tiden kan dessa porer ändra form eller brytas ner, vilket minskar prestandan och begränsar deras användbarhet i krävande industriella miljöer.

"För att åtgärda dessa begränsningar konstruerade vi en ny klass av ultraselektiva, kristallina membran som kallas 'POMbranes', som innehåller porer som är ungefär en nanometer breda, tusentals gånger tunnare än ett människohår," sa Dr. Shilpi Kushwaha, seniorforskare vid CSMCRI. De nya membranen hämtar inspiration från biologiska system som akvaporiner, som reglerar molekylers rörelse genom precist dimensionerade kanaler. För att uppnå denna kontrollnivå använde forskarna polyoxometalat (POM)-kluster. Varje kluster innehåller en naturligt förekommande öppning som är exakt 1 nanometer bred och förblir permanent stabil. Enligt Ms Priyanka Dobariya, forskningsdoktorand vid CSMCRI och medförstaförfattare till artikeln, "Dessa POM är små, kronformade metallkluster som har ett permanent, perfekt hål i mitten som inte ändrar eller förlorar form, vilket är det största hindret med traditionella plastfilter."

Att skapa ett praktiskt membran krävde att arrangera miljarder av dessa små ringliknande strukturer i ett kontinuerligt, defektfritt lager. För att åstadkomma detta fäste forskarna flexibla kemiska kedjor på POM-klustren. När de modifierade klustren placerades på vatten spred de sig naturligt och organiserade sig till en tunn film över stor yta. Genom att ändra längden på de fästa kedjorna kunde teamet kontrollera hur tätt klustren packades. "Detta tvingade molekyler att korsa membranet genom den enda öppna vägen, de en-nanometer stora hålen inbyggda i varje kluster, vilket gjorde att membranet fungerade som ett högteknologiskt såll," tillade Dr. Raghavan Ranganathan, docent vid IITGN:s institution för materialteknik. Dr. Ranganathan och Mr. Vinay Thakur, doktorand vid IITGN och medförstaförfattare till artikeln, utförde också simuleringar på molekylär nivå som avslöjade hur membranen utför sin filtreringsfunktion.

Tester visade att membranen kunde skilja mellan molekyler som skiljer sig med endast 100-200 Dalton, en precisionsnivå som är extremt svår att uppnå med konventionella polymermembran. Enligt Dr. Ketan Patel, huvudforskare vid CSMCRI, kan denna förmåga skapa nya möjligheter för mer hållbara tillverkningsprocesser. "Våra membran visar nästan tio gånger bättre separationsprestanda jämfört med befintlig teknik, samtidigt som de förblir flexibla, stabila och skalbara," sa han. "Dessutom är dessa membran flexibla, stabila över olika surhetsnivåer (pH-intervall) och kan tillverkas i stora ark. Denna kombination är avgörande om membranen ska kunna användas brett inom industrin."