Studie provedená na Politecnico di Torino (Itálie) v úzké spolupráci s Massachusetts Institute of Technology (USA) a publikovaná časopisem Nature Communications ukazuje inovativní způsob, jak zlepšit výkon odsolovacích membrán. V budoucnu by membrány pro reverzní osmózu vyrobené podle těchto nových kritérií mohly odsolovat mořskou vodu s výrazně nižšími náklady
Odsolování mořské vody za snížené náklady: to je ambiciózní cíl studie týmu inženýrů z katedry energetiky na Politecnico di Torino (Torino, Itálie), ve spolupráci s Massachusetts Institute of Technology-MIT (Cambridge, USA) a University of Minnesota (Minneapolis, USA). Časopis Nature Communications nedávno zveřejnil výsledky tohoto výzkumu, čímž otevřel novou cestu ve vývoji technologií pro membránové odsolovací procesy, které by mohly poskytnout inovativní řešení současného problému nedostatku vody v několika zemích.
Mořská voda může být odsolena a upravena jako pitná pomocí membrány, konkrétně „síta“schopného oddělit molekuly vody od rozpuštěných iontů soli. Energii potřebnou v tomto separačním procesu mohou poskytnout zdroje tepla, elektromagnetické pole nebo hydraulický tlak. Konkrétně se výzkum prezentovaný italskými a americkými institucemi zaměřil na proces odsolování reverzní osmózou, která je založena na schopnosti některých porézních materiálů - pod tlakem větším než je osmotický - prostupovat pouze molekulami vody, zatímco odmítání iontů soli.
Tento proces si lze lépe představit jako sérii vozidel stojících ve frontě u mýtnic před vjezdem na dálnici."Předpokládejme, že motocykly jsou molekuly vody, zatímco auta jsou rozpuštěné ionty soli, a že oba jsou trpělivě ve frontě na mýtnici," ilustrují výzkumníci z Politecnico. "Teď si představme, že otvor mýtnice je široký jen jeden metr: motocykly by dokázaly bez problémů překonat závoru a vjet tak na dálnici, zatímco auta by byla nucena obrátit kurz. Obdobně membrány pro reverzní osmózu umožňují transport molekul vody a zároveň blokují rozpuštěné soli. Účinné membrány se proto vyznačují velkou rychlostí přenosu vody při pevné vstupní energii a efektivním povrchu, konkrétně vysokou propustností."
Výzkumníci z Politecnico di Torino, MIT a University of Minnesota však udělali krok dále a byli schopni poprvé pochopit mechanismy regulující transport vody z jedné strany (slaná voda) na ostatní (sladká voda) membrány. Ve skutečnosti výzkumná laboratoř na MIT experimentálně měřila difúzní koeficient permeované vody, konkrétně pohyblivost molekul vody při průchodu membránou. Tyto membrány jsou vyrobeny ze zeolitu, což je materiál vyznačující se hustou (a uspořádanou) sítí pórů o subnanometrovém průměru (méně než miliardtina metru). Experimentální difúzní koeficient vody se však zdá být téměř milionkrát nižší než ten, který očekávají simulace a teoretické analýzy, jak naměřili vědci z Politecnico di Torino. Hádanka, která si vyžádala více než dva roky aktivit mezi Turínem a Bostonem díky společnému výzkumnému programu MITOR financovanému Compagnia di San Paolo.
Výzkumníci pak vysvětlují, že: "Zatímco předchozí studie se zaměřovaly hlavně na transportní proces uvnitř membrány, přesunuli jsme pozornost na to, co se dělo na povrchu, kde by mohlo být řešení hádanky skutečně nalezeno." Ve skutečnosti je transport vody membránou řízen řadou dvou jevů: za prvé, molekuly vody musí najít otevřený pór (povrchová odolnost vůči transportu); poté mohou vstoupit a difundovat do membrány (objemový odpor vůči transportu), případně prosakovat z druhé strany membrány."Vrátíme-li se k předchozímu přirovnání, přidání dalších dálničních pruhů se může ukázat jako nedostatečná strategie pro urychlení jízdy motocyklistů po dálnici. Ve skutečnosti bychom také měli zajistit, aby byl k dispozici dostatečný počet otevřených mýtnic, abychom se vyhnuli dopravní zácpy na vjezdu (a výjezdu) z dálnice,“říkají vědci.
Vědci tak prokázali, že řádový rozdíl mezi teoretickými a experimentálními hodnotami propustnosti membrány je způsoben odolností povrchu membrán vůči transportu vody. Tato odolnost pramení ze současných výrobních technik zeolitových membrán, které způsobují uzavření více než 99,9 % dostupných ústí pórů. Jinými slovy, molekuly vody mohou pronikat minimálním zlomkem (jedno promile) povrchových otvorů pórů: to způsobuje efekt úzkého hrdla, který zpomaluje celkový transport vody membránou a tím drasticky snižuje propustnost membrány. Po více než dvou letech strávených na počítačových simulacích a experimentech, Matteo Fasano, Alessio Bevilacqua, Eliodoro Chiavazzo, Pietro Asinari (Laboratoř pro víceúrovňové modelování, Katedra energetiky na Politecnico di Torino), Thomas Humplik, Evelyn Wang (Laboratoř pro výzkum zařízení, MIT) a Michael Tsapatsis (Tsapatsis Research Group, University of Minnesota) odhalili tento mechanismus a navrhli přesný fyzikální model celkového procesu pronikání vody.
Tato zjištění jasně naznačují, že odsolovací membrány nové generace se zvýšeným výkonem lze dosáhnout výrobními technikami umožňujícími snížit povrchový odpor při transportu, konkrétně otevřít větší část povrchových pórů. Výzkumníci odhadují, že membrány vyrobené podle těchto kritérií mají potenciál dosáhnout propustnosti 10krát větší než ty současné, čímž se snižují provozní náklady v procesech odsolování. Toto nové chápání povrchových a objemových transportních jevů také přináší nové poznatky v dalších aplikacích, ve kterých se používají nanoporézní materiály: od technologií pro udržitelnou energii (například tepelné skladování) po odstraňování znečišťujících látek z vody (například molekulární síta), nahoru na nanomedicínu (například dodávání léků).
