Peneliti mengukur, model membran desalinasi untuk memaksimalkan aliran, membersihkan lebih banyak air

Peneliti mengukur, model membran desalinasi untuk memaksimalkan aliran, membersihkan lebih banyak air


Newswise – AMES, Iowa – Alam telah menemukan cara membuat membran yang bagus.

Selaput biologis membiarkan bahan yang benar masuk ke dalam sel sambil menahan bahan yang salah. Dan, seperti yang dicatat para peneliti dalam makalah yang baru saja diterbitkan oleh jurnal Science, mereka luar biasa dan ideal untuk pekerjaan mereka.

Tapi mereka belum tentu ideal untuk pekerjaan industri bervolume tinggi seperti mendorong air asin melalui membran untuk menghilangkan garam dan membuat air tawar untuk minum, mengairi tanaman, menyirami ternak, atau menciptakan energi.

Bisakah kita belajar dari membran biologis berkinerja tinggi itu? Bisakah kita menerapkan strategi desain homogen dari alam pada membran polimer yang diproduksi? Bisakah kita mengukur apa yang membuat beberapa membran industri tersebut berkinerja lebih baik daripada yang lain?

Peneliti dari Iowa State University, Penn State University, University of Texas di Austin, DuPont Water Solutions dan Dow Chemical Co. – dipimpin oleh Enrique Gomez dari Penn State dan Manish Kumar dari Texas – telah menggunakan mikroskop elektron transmisi dan pemodelan komputasi 3D untuk melihat untuk mendapatkan jawaban.

Baskar Ganapathysubramanian dari Iowa State, Profesor Joseph C. dan Elizabeth A. Anderlik di bidang Teknik dari departemen teknik mesin, dan Biswajit Khara, seorang mahasiswa doktoral di bidang teknik mesin, menyumbangkan keahlian mereka dalam matematika terapan, komputasi kinerja tinggi, dan pemodelan 3D untuk proyek.

Para peneliti menemukan bahwa menciptakan kerapatan membran yang seragam hingga skala nano sepermiliar meter sangat penting untuk memaksimalkan kinerja membran penyaringan air reverse-osmosis. Penemuan mereka baru saja dipublikasikan secara online oleh jurnal Science dan akan menjadi sampul depan edisi cetak 1 Januari.

Bekerja dengan pengukuran mikroskop elektron transmisi Penn State dari empat membran polimer berbeda yang digunakan untuk desalinasi air, para insinyur Iowa State memperkirakan aliran air melalui model 3D membran, memungkinkan analisis komparatif terperinci tentang mengapa beberapa membran berkinerja lebih baik daripada yang lain.

“Simulasi tersebut mampu menunjukkan bahwa membran yang lebih seragam – yang tidak memiliki ‘titik panas’ – memiliki aliran seragam dan kinerja yang lebih baik,” kata Ganapathysubramanian. Bahan rahasianya adalah kurang homogenitas.

Lihat saja gambar sampul Science yang dibuat para peneliti Iowa State dengan bantuan dari Texas Advanced Computing Center, kata Khara: Merah di atas membran menunjukkan air di bawah tekanan yang lebih tinggi dan dengan konsentrasi garam yang lebih tinggi; struktur emas, butiran, seperti spons di tengahnya menunjukkan area yang lebih padat dan kurang padat di dalam membran penghenti garam; saluran perak menunjukkan bagaimana air mengalir; dan biru di bagian bawah menunjukkan air di bawah tekanan rendah dan dengan konsentrasi garam lebih rendah.

“Anda dapat melihat variasi yang sangat besar dalam karakteristik aliran di dalam membran 3D,” kata Khara.

Yang paling jelas adalah garis perak yang menunjukkan air bergerak di sekitar titik padat di membran.

“Kami menunjukkan bagaimana konsentrasi air berubah melintasi membran.” Ganapathysubramanian mengatakan tentang model yang membutuhkan komputasi kinerja tinggi untuk menyelesaikannya. “Ini indah. Itu belum pernah dilakukan sebelumnya karena pengukuran 3D yang mendetail tidak tersedia, dan juga karena simulasi semacam itu tidak sepele untuk dilakukan. ”

Khara menambahkan, “Simulasi itu sendiri menimbulkan tantangan komputasi, karena difusivitas dalam membran yang tidak homogen dapat berbeda hingga enam kali lipat”

Jadi, makalah tersebut menyimpulkan, kunci untuk membran desalinasi yang lebih baik adalah mencari tahu cara mengukur dan mengontrol kepadatan membran yang diproduksi pada skala yang sangat kecil. Insinyur manufaktur dan ilmuwan material perlu membuat kerapatan seragam di seluruh membran, sehingga meningkatkan aliran air tanpa mengorbankan pembuangan garam.

Ini adalah satu lagi contoh pekerjaan komputasi dari lab Ganapathysubramanian yang membantu memecahkan masalah yang sangat mendasar namun praktis.

“Simulasi ini memberikan banyak informasi untuk mencari tahu kunci untuk membuat membran desalinasi jauh lebih efektif,” kata Ganapathysubramanian, yang pekerjaannya pada proyek tersebut sebagian didukung oleh dua hibah dari National Science Foundation.

– 30 –

Baca korannya

“Kontrol skala nano dari ketidakhomogenan internal meningkatkan transportasi air di membran desalinasi,” Science, 1 Januari 2021.

Tim peneliti

Proyek ini dipimpin oleh Enrique Gomez, seorang profesor teknik kimia dan ilmu dan teknik material di Universitas Negeri Penn, dan Manish Kumar, profesor teknik sipil, arsitektur, dan lingkungan di Universitas Texas di Austin.

Juga, dari Universitas Negeri Iowa: Biswajit Khara, Baskar Ganapathysubramanian; dari Penn State: Tyler Culp, Kaitlyn Brickey, Michael Geitner, Tawanda Zimudzi, Andrew Zydney; dari Solusi Air DuPont: Jeffrey Wilbur, Steve Jons; dan dari Dow Chemical Co.: Abhishek Roy, Mou Paul.


Diposting Oleh : https://singaporeprize.co/

About the author