Siêu màng lọc mới đạt được hiệu suất vượt xa màng lọc tốt nhất hiện có

Khi thiết kế một bộ lọc, các kỹ sư phải luôn cân nhắc sự cân bằng giữa “tính thẩm thấu” và “tính chọn lọc”. Về cơ bản, điều này có nghĩa là chúng ta phải ưu tiên số lượng hoặc chất lượng. Ví dụ, khi lọc nước, bộ lọc càng thẩm thấu, nước càng chảy qua nó nhanh hơn, nhưng sẽ ít chất gây ô nhiễm bị ngăn lại hơn. Ngược lại, một bộ lọc chọn lọc hoàn hảo có thể chỉ cho nước tinh khiết đi qua, nhưng chỉ được một vài giọt mỗi lần.

Sự đánh đổi này bắt nguồn từ thực tế là việc kiểm soát kích thước các lỗ rỗng của bộ lọc ngày càng trở nên khó khăn khi kích thước của các chất gây ô nhiễm mà chúng ta định giữ lại ngày càng nhỏ. Các kỹ thuật sản xuất hiện tại không đủ chính xác để làm cho từng lỗ rỗng cùng khớp với kích thước cần thiết để lọc các phân tử mục tiêu, do đó chúng ta phải giải quyết các sai sót về mặt độ thấm hoặc độ chọn lọc ở các mức độ khác nhau.

Giờ đây, các nhà nghiên cứu từ Penn Engineering đã chứng minh một cách để đạt được sự đồng nhất này ở kích thước nano, và màng của họ đã sẵn sàng để giải quyết sự đánh đổi tính chọn lọc và tính thấm lâu đời này. Họ có thể tạo ra các màng mỏng với lỗ rỗng có độ rộng chỉ một nanomet, mang lại hiệu suất vượt trội mà có thể vượt xa các màng lọc nano hiện có.

Với hiệu suất lọc vượt trội này,“ bạn có thể nghĩ đến việc lọc nước tại chỗ, xử lý nước thải từ các cơ sở công nghiệp, làm mềm nước sử dụng trong gia đình, lọc thấm qua màng lọc hay chưng cất nước bằng màng để sử dụng cho sản xuất sữa và nước cam và những thứ có tính tự nhiên. ” Giáo sư Osuji, tác giả chính của công trình nghiên cứu này trên tạp chí ASC nói.

Trọng tâm công nghệ của Giáo sư Osuji là một phương pháp để các chất hoạt động bề mặt, tương tự như chất hoạt động bề mặt được sử dụng trong chất tẩy rửa gia dụng, chúng tự lắp ráp thành các hình trụ dài và sắp xếp thành một mảng lục giác trong môi trường nước. Sự lắp ráp này, được gọi là tinh thể lỏng ở dạng mesophase, được liên kết chéo bằng tia UV để đặt và khóa các mảng này vào đúng vị trí.

Ngay sau khi được sắp xếp, các mảng hình trụ tạo thành một màng mỏng, với các cạnh dài của hình trụ chạy song song với mặt phẳng của màng. Và với cách xếp chồng hình lục giác đều này, khoảng trống giữa mỗi hình trụ sẽ như những lỗ rỗng đồng nhất có độ rộng một nanomet; đủ nhỏ để nước dễ dàng đi qua đồng thời ngăn chặn nhiều loại chất tan lớn hơn.

Ngoài các phân tích cấu trúc bằng kính hiển vi và tán xạ tia X đối với màng của họ, các nhà nghiên cứu đã chứng minh khả năng của các màng lọc này bằng cách lọc các chất nhuộm phân tử và polyme khác nhau ra khỏi nước. Họ cũng chỉ ra cách các đặc tính lọc của màng có thể được tinh chỉnh cho phù hợp với một ứng dụng nhất định, như cách lọc rượu whisky ở các mức độ trong khác nhau. Bởi vì kích thước lỗ của màng có thể được kiểm soát bởi thành phần hóa học của tinh thể lỏng ở dạng mesophase, các nhà nghiên cứu đã có thể thiết kế các bộ lọc không giữ, giữ một số hoặc tất cả các phân tử hữu cơ khác nhau tạo ra màu sắc của rượu whisky.

Minh chứng đầy thuyết phục này đã truyền cảm hứng cho một công ty khởi nghiệp tiềm năng: Màng lọc của Osuji đã được giới thiệu trong Giải Y năm nay, một cuộc thi lập kế hoạch kinh doanh, nơi sinh viên đề xuất các ứng dụng cho công nghệ Penn Engineering. Đội chiến thắng, LiberTech, đặt mục tiêu sử dụng những màng lọc này để lọc bia và rượu, loại bỏ chất cồn trong khi vẫn giữ được màu sắc và mùi vị của chúng. Các quy trình xử lý ô nhiễm hiện tại phải chịu sự cân bằng giữa tính thẩm thấu-chọn lọc và do đó thường không hiệu quả về mặt năng lượng. Công nghệ của Osuji mở ra khả năng xử lý tổng thể hiệu quả hơn và hoạt động hiệu quả hơn về mặt kinh tế cho ngay cả các nhà sản xuất nhỏ, cho phép các nhà máy sản xuất rượu nhỏ và tầm trung có thể ra mắt các phiên bản không cồn cho các sản phẩm của họ.

Zhang, tác giả thứ nhất trong công trình nghiên cứu cho biết: “Những màng này có khả năng thay đổi cuộc chơi cho các ứng dụng lọc nano do tính đồng nhất của kích thước lỗ, khả năng tương thích của chúng với các kỹ thuật chế tạo có thể mở rộng quy mô và thực tế là kích thước lỗ có thể được điều chỉnh chính xác với các bước nhỏ có thể nhỏ tới 0,1 nanomet”.

“Một khía cạnh thú vị khác của màng,” Osuji nói, “chúng có thể lọc nước cũng như hữu cơ ở dạng lỏng, vì sự liên kết chéo mang lại sự ổn định trong nhiều điều kiện. Điều đó có nghĩa là các màng được sử dụng cho các quá trình lọc dung môi cũng như lọc hữu cơ ở cấp độ nano. ”

Trong thời gian tới, phòng thí nghiệm của Osuji sẽ tiếp tục phát triển màng lọc của họ, với mục tiêu làm cho chúng tương thích với các kỹ thuật sản xuất hàng loạt trên quy mô lớn và tích hợp chúng với các chất chống bám bẩn để ngăn ngừa tắc nghẽn.

Kết quả đột phá này đã được xuất bản trên tạp chí ACS Nano:

Rapid Fabrication by Lyotropic Self-Assembly of Thin Nanofiltration Membranes with Uniform 1 Nanometer Pores

DOI: 10.1021/acsnano.1c00722

Nguyễn Tiến Dũng tổng hợp và dịch.

Nguồn: https://blog.seas.upenn.edu/penn-engineers-new-filtration-membranes-have-unprecedented-performance-thanks-to-uniform-one-nanometer-wide-pores/

Tìm hiểu thêm chi tiết về thiết bị tán xạ tia X cho ứng dụng trên của hãng Xenocs: Tại đây!