view in publisher's site

Design and function of biomimetic multilayer water purification membranes

Multilayer architectures in water purification membranes enable increased water throughput, high filter efficiency, and high molecular loading capacity. However, the preparation of membranes with well-organized multilayer structures, starting from the nanoscale to maximize filtration efficiency, remains a challenge. We report a complete strategy to fully realize a novel biomaterial-based multilayer nanoporous membrane via the integration of computational simulation and experimental fabrication. Our comparative computational simulations, based on coarse-grained models of protein nanofibrils and mineral plates, reveal that the multilayer structure can only form with weak interactions between nanofibrils and mineral plates. We demonstrate experimentally that silk nanofibril (SNF) and hydroxyapatite (HAP) can be used to fabricate highly ordered multilayer membranes with nanoporous features by combining protein self-assembly and in situ biomineralization. The production is optimized to be a simple and highly repeatable process that does not require sophisticated equipment and is suitable for scaled production of low-cost water purification membranes. These membranes not only show ultrafast water penetration but also exhibit broad utility and high efficiency of removal and even reuse (in some cases) of contaminants, including heavy metal ions, dyes, proteins, and other nanoparticles in water. Our biomimetic design and synthesis of these functional SNF/HAP materials have established a paradigm that could lead to the large-scale, low-cost production of multilayer materials with broad spectrum and efficiency for water purification, with applications in wastewater treatment, biomedicine, food industry, and the life sciences.

طراحی و عملکرد غشاهای خالص‌سازی آب چند لایه

معماری‌های Multilayer در غشاهای تصفیه آب باعث افزایش توان عملیاتی، راندمان فیلتر بالا و ظرفیت بارگذاری مولکولی بالا می‌شوند. با این حال، تهیه غشاها با ساختارهای چندلایه با ساختار خوب، با شروع از مقیاس نانو برای به حداکثر رساندن بازده تصفیه، یک چالش است. ما یک استراتژی کامل برای درک کامل یک غشای سیلیکونی چند لایه مبتنی بر چند لایه با استفاده از ادغام شبیه‌سازی کامپیوتری و ساخت آزمایشگاهی گزارش می‌کنیم. شبیه‌سازی‌های محاسباتی تطبیقی ما مبتنی بر مدل‌های دانه ریز دانه nanofibrils و صفحات مواد معدنی نشان می‌دهد که ساختار چند لایه تنها می‌تواند با تعاملات ضعیف بین صفحات nanofibrils و مواد معدنی شکل بگیرد. ما به طور تجربی نشان می‌دهیم که nanofibril silk (snf)و هیدروکسی آپاتیت (hap)می‌توانند برای ساخت غشاهای highly بسیار منظم با ویژگی‌های nanoporous با ترکیب self پروتئینی و in situ biomineralization مورد استفاده قرار گیرند. تولید برای یک فرآیند ساده و بسیار تکرارپذیر است که به تجهیزات پیچیده نیاز ندارد و برای تولید مقیاس کوچک از غشاهای تصفیه آب کم‌هزینه مناسب است. این غشاها نه تنها نفوذ آب را نشان می‌دهند بلکه کاربرد گسترده‌ای و راندمان بالای حذف و حتی استفاده مجدد (در برخی موارد)از آلاینده‌ها از جمله یون‌های فلزات سنگین، رنگ‌ها، پروتیین‌ها و دیگر نانو ذرات در آب را نشان می‌دهند. طراحی biomimetic و سنتز این مواد snf / hap کارکردی، الگویی را ایجاد کرده‌اند که می‌تواند منجر به تولید انبوه و کم‌هزینه مواد چند لایه با طیف وسیع و کارآیی برای تصفیه آب، با کاربردهایی در تصفیه فاضلاب، علوم زیستی، صنعت غذایی و علوم زیستی شود.

ترجمه شده با

Download PDF سفارش ترجمه این مقاله این مقاله را خودتان با کمک ترجمه کنید
سفارش ترجمه مقاله و کتاب - شروع کنید

95/12/18 - با استفاده از افزونه دانلود فایرفاکس و کروم٬ چکیده مقالات به صورت خودکار تشخیص داده شده و دکمه دانلود فری‌پیپر در صفحه چکیده نمایش داده می شود.