Nell'esperimento, i ricercatori hanno prima rivestito per immersione una membrana polimerica idrofoba in acido tannico (TA), un comune polifenolo. Quindi, la membrana dip-coattata essiccata in TA viene caricata nel reattore di deposizione a strato atomico (ALD) per il rivestimento con biossido di titanio utilizzando i precursori tetracloruro di titanio e acqua (TiCl4 e H2O). Le membrane rivestite mostrano un'incrostazione minima nel trattamento olio in acqua. Credito:Laboratorio nazionale Argonne
Molti processi industriali si basano su membrane sottili in grado di pulire l'acqua, Per esempio, filtrando le impurità. Negli ultimi anni, una tecnica chiamata deposizione di strati atomici (ALD) è stata utilizzata per sintonizzare queste membrane per prestazioni migliori, ma c'è un intoppo:molti di questi sono realizzati con materiali non compatibili con ALD, un processo che utilizza vapori chimici alternati per creare strati molto sottili su una superficie.
Un nuovo metodo sviluppato da un team che comprende ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) rende possibile l'ALD su quasi tutte le membrane. I ricercatori hanno scoperto una soluzione sorprendentemente semplice:immergere prima le membrane nell'acido tannico. Le molecole dell'acido aderiscono alla superficie della membrana, fornendo siti di nucleazione o punti in cui un rivestimento ALD può prendere piede e crescere.
La capacità di utilizzare questa tecnica su materiali di membrana tipicamente resistenti consente una varietà di potenziali miglioramenti che potrebbero migliorare la funzionalità e la durata, o creare proprietà del tutto nuove. Il lavoro è dettagliato nel documento "Deposizione di strati atomici sensibilizzati ai polifenoli per l'idrofilizzazione dell'interfaccia di membrana, " che è stato recentemente pubblicato sulla rivista Materiali funzionali avanzati .
Molte membrane commerciali sono realizzate con plastiche comuni come polipropilene e polietilene, che sono poco costosi e relativamente robusti. Ma quando usato per trattare l'acqua, queste membrane a base polimerica tendono a creare problemi. Le loro superfici sono soggette a incrostazioni, dove i contaminanti si accumulano nei loro pori e riducono l'efficacia.
Con ALD, un processo comune nell'industria dei semiconduttori, le membrane possono essere modificate per resistere alle incrostazioni o assumere altre proprietà desiderabili. Le molecole depositate sulla superficie possono farsi strada attraverso la tortuosa rete di pori di una membrana per trovare tutte le superfici all'interno, creando un rivestimento eccezionalmente uniforme.
Un'immagine mostra l'alimentazione di petrolio greggio in acqua nel suo stato iniziale e il permeato pulito che fuoriesce dopo aver attraversato la membrana trattata con ALD, un processo che è stato eseguito tre volte consecutive. La membrana veniva semplicemente sciacquata con acqua dopo ogni ciclo di filtrazione. Credito:Laboratorio nazionale Argonne
"ALDO, in linea di principio, è grande, " ha detto Seth tesoro, coautore dello studio e direttore del Centro di ricerca Energy Frontier di Argonne's Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS). "La sfida è che la maggior parte dei polimeri utilizzati per realizzare membrane non è suscettibile di rivestimento con ALD".
Nello studio, il pretrattamento con acido tannico ha permesso di rivestire una membrana polimerica resistente all'acqua con biossido di titanio, trasformando invece la sua superficie per diventare idrofila (amante dell'acqua). Lo strato che attira l'acqua crea un tampone protettivo contro le incrostazioni.
Il centro AMEWS, che è finanziato dall'Office of Science del DOE, ha sostenuto il lavoro come parte di uno sforzo più ampio per comprendere e controllare ciò che accade all'interfaccia tra acqua e materiali solidi. Tale comprensione è la chiave per migliorare il modo in cui elaboriamo e utilizziamo l'acqua.
Nel passato, I ricercatori di Argonne hanno sfruttato il fatto che alcuni polimeri sono inospitali per l'ALD creando una membrana "Janus" a due facce, con un rivestimento di ossido metallico completo sulla parte superiore della membrana e nessuno sull'altro lato. Questo ultimo studio è la prima volta che gli scienziati sono stati in grado di sensibilizzare completamente e uniformemente una membrana all'ALD utilizzando un pretrattamento non distruttivo.
Argonne sta sviluppando metodi per aumentare ALD e altre funzionalità di progettazione dell'interfaccia in modo che questi metodi possano essere valutati per grandi, applicazioni industriali. "Attualmente utilizziamo reattori su scala di laboratorio per questi studi di ricerca, ma stiamo costruendo strumenti per l'elaborazione ALD efficiente di substrati di grandi dimensioni. Ciò consentirà test su scala pilota dei nostri materiali ALD, "ha detto Jeffrey Elam, un chimico senior all'Argonne e co-autore dello studio.
Il nuovo metodo potrebbe potenzialmente funzionare non solo con l'acido tannico ma con qualsiasi polifenolo liquido e anche con qualsiasi membrana polimerica, che apre un vasto numero di possibilità oltre la dimostrazione del concetto descritta nel documento. Oltre ai rivestimenti idrorepellenti o resistenti all'acqua, L'ALD può essere utilizzato per creare materiali chimicamente reattivi o elettricamente conduttivi.
"C'è un'intera libreria di cose che puoi fare con ALD, "Darling ha detto. "Questa tecnica ora apre quella libreria per le membrane polimeriche".
