Preparação cuidadosa da amostra, tomografia de elétrons e análise quantitativa de modelos 3-D fornecem insights exclusivos sobre a estrutura interna das membranas de osmose reversa amplamente utilizadas para reciclagem de águas residuais de dessalinização de água salgada e uso doméstico, de acordo com uma equipe de engenheiros químicos.

Essas membranas de osmose reversa são camadas de material com uma camada ativa de poliamida aromática que permite a passagem das moléculas de água, mas peneirar 99 a 99,9 por cento do sal.

"À medida que o estresse hídrico continua a crescer, melhores materiais de filtração por membrana são necessários para melhorar a recuperação de água, evitar incrustações, e estender a vida útil do módulo de filtração, mantendo custos razoáveis ​​para garantir a acessibilidade em todo o mundo, "disse Enrique Gomez, professor de engenharia química, Estado de Penn. "Saber como é o material por dentro, e entender como essa microestrutura afeta as propriedades de transporte de água, é crucial para projetar membranas de próxima geração com vidas operacionais mais longas que podem funcionar sob um conjunto diversificado de condições. "

Gomez e sua equipe observaram a estrutura interna do filme de poliamida usando tomografia de microscopia eletrônica de transmissão de varredura de campo escuro anular de alto ângulo (HAADF-STEM). A intensidade da imagem HAADF-STEM é diretamente proporcional à densidade do material, permitindo o mapeamento do material para resolução em nanoescala.

"Descobrimos que a densidade da camada de poliamida não é homogênea, "disse Gomez." Mas, em vez disso, varia ao longo do filme e, nesse caso, é o mais alto na superfície. "

Esta descoberta muda a maneira como os engenheiros pensam sobre como a água se move através deste material, porque a resistência ao fluxo não é homogênea e é maior na superfície da membrana.

HAADF-STEM permitiu aos pesquisadores construir modelos 3-D da estrutura interna da membrana. Com esses modelos, eles podem analisar os componentes estruturais e determinar quais características devem permanecer para que a membrana funcione e quais podem ser manipuladas para melhorar a longevidade da membrana, anti-incrustante, e melhorar a recuperação de água.

Outra característica revelada pelo HAADF-STEM foi a presença, ou melhor, ausência, de vazios fechados relatados anteriormente. Os pesquisadores pensaram que a estrutura fina das membranas conteria espaços vazios fechados que poderiam reter água e alterar os padrões de fluxo. Os modelos 3-D mostram que existem poucos vazios fechados no material de última geração estudado.

"Variações locais na porosidade, densidade e área de superfície levarão a heterogeneidade no fluxo dentro das membranas, de tal forma que conectar a química, microestrutura e desempenho de membranas para osmose reversa, ultrafiltração, filtração de vírus e proteínas, e separações de gás exigirão reconstruções 3-D a partir de técnicas como tomografia eletrônica, "relatam os pesquisadores em uma edição recente da Proceedings of the National Academy of Sciences .

Os pesquisadores gostariam de levar a resolução desta técnica para menos de 1 nanômetro de resolução.

"Não sabemos se existem poros sub-nanométricos nesses materiais e queremos ser capazes de aplicar nossas técnicas para ver se esses canais existem, "disse Gomez." Também queremos mapear como o fluxo se move através desses materiais para conectar diretamente como a microestrutura afeta o fluxo de água, marcando ou tingindo a membrana com compostos especiais que podem fluir através da membrana e ser visualizados no microscópio eletrônico. "