SURF-Feature: Mary O'Sullivan '23 und Huma Jafree '22 auf der Suche nach sauberem Wasser

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Im Raum 217 des Copley Science Center klettern Rohrleitungen wie Efeu an der Wand empor, und die Luft summt vor elektrischem Strom. Drinnen lehnen sich zwei Studenten an einem Labortisch voller PVC-Röhren, Glasbecher und weißglühenden Wärmelampen zurück, um zu fachsimpeln. Das Thema ihres Gesprächs ist die Membrandestillation, eine Methode zur Wasserreinigung, die beide Studenten diesen Sommer im Rahmen ihrer Schapiro Undergraduate Research Fellowship (SURF)-Projekte erforschten.

„Salzwasser rein, Süßwasser raus“, sagte Huma Jafree '22 und beschrieb den Prozess, von dem sie glauben, dass er möglicherweise eine Rolle bei der Lösung des globalen Süßwassermangels spielen wird.

Als internationaler Student mit Hauptfach Physik und Nebenfach Mathematik arbeitete Jafree an der Verfeinerung einer Wasserdestillationsmethode namens Luftspaltmembrandestillation. In ihrem Projekt mit dem Titel „The Effect of Pore Size and Gap Size in Air Gap Membrane Destillation“ erhitzte sie Salzwasser in einem Gefäß, bis es sich in Dampf verwandelte, und gelangte anschließend durch eine poröse Polymermembran in eine zweite Kammer. Dort kondensierte sie die Dampfpartikel durch Abkühlen zu Süßwassertröpfchen. Die vor ihr liegende Aufgabe bestand darin, die Breite der Luftspalte und die Größe der Poren zu optimieren, um die effizienteste Form der Wasserdestillation zu bestimmen.

Hier kam das SURF-Projekt von Mary O'Sullivan '23 (Hauptfach Ingenieurwissenschaften, Doppel-Nebenfach Chemie und Mathematik) mit dem Titel „Fabrication and Characterization of Melt Electrospun Membranes for Use in Membrane Distillation Systems“ ins Spiel. Studentin des Honors Program und gebürtige Colonial Beacherin suchte nach dem besten Weg, den gleichen Membrantyp herzustellen, der in Jafrees Experimenten verwendet wurde, und zwar mithilfe eines Prozesses namens Schmelzelektrospinnen. Mit Hilfe einer erhitzten, elektrifizierten Nadel schmolz O'Sullivan ein Polymer – in ihrem Fall Polypropylen, das in Haushaltsgegenständen wie Trinkhalmen, Babyflaschen und Joghurtbehältern zu finden ist –, das später zu faserigen Membranen mit Porengrößen in der Größenordnung von zusammengesetzt wurde Mikrometer über Computerführung.

„Wir sind beide daran interessiert, ob es eine Membrandicke oder Luftspaltgröße gibt, die besser ist als das, was kommerziell erhältlich ist“, sagte Jafree über ihre Arbeit, die unter der Leitung des Fakultätsmentors und Ingenieurprofessors Jim McLeskey durchgeführt wurde. „Der Markt ist derzeit begrenzt. Wenn wir also in der Lage wären, die Membranen von Grund auf herzustellen, würden sich die Parameter unserer Forschung in vielerlei Hinsicht öffnen.“

Die Zukunft der Wasserentsalzung?

Traditionell müssen Wissenschaftler Wasser auf seinen Siedepunkt – 100 Grad Celsius – erhitzen, damit es verdampft, und es so von unerwünschten Wasserinhalten trennen, sei es Salz, Ammonium oder Abwasser. „Das Schöne an der Membrandestillation ist, dass man das Wasser nicht bis zum Siedepunkt bringen muss. Es muss nur heiß sein, sogar 50 Grad Celsius, was Energie spart und Kosten senkt“, erklärte O’Sullivan.

Jafree erläuterte den potenziellen Nutzen des Prozesses für die Wasserentsalzungsbemühungen mit den Worten: „Dies könnte ein System sein, das Meerwasser mithilfe von Abwärme oder Sonnenenergie erwärmt und es mithilfe von kaltem Meerwasser kühlt. Im Wesentlichen würde es wenig Energie bei niedrigen Kosten verbrauchen.“ das Meerwasser auf die richtige Temperatur zu erhitzen, um Süßwasser zu produzieren.“

Wie sah also ein typischer Tag im Labor für Jafree und O'Sullivan aus? „Viel Vorbereitungsarbeit“, sagte O’Sullivan. Das liegt daran, dass sowohl ihr als auch das Jafree-System mehrere Stunden brauchte, um einen einzelnen „Durchlauf“ abzuschließen, der in einer neuen Membran bzw. einem abgeschlossenen Wasserdestillationszyklus endete. Während ihre Systeme ihre Wirkung entfalteten, bereitete sich das Duo auf die Posterpräsentationen ihres SURF-Symposiums vor, reinigte die Ausrüstung und notierte ihre Ergebnisse. Zeitweise lieferten diese Ergebnisse mehr Fragen als Antworten.

Prozess macht Fortschritte

Nur drei Wochen bevor sie ihre Ergebnisse auf dem SURF-Symposium vorstellen sollte, stellte Jafree einen Fehler in ihrem Verfahren fest. Zu diesem Zeitpunkt hatte sie mit ihrem Destillationssystem 60 Läufe absolviert, von denen jeder etwa drei Stunden dauerte. Mit einem flauen Gefühl wurde ihr klar, dass sie jeden Lauf noch einmal absolvieren musste, was den Rahmen ihres neunwöchigen Stipendiums bei weitem sprengen würde. Dennoch war sie froh, dass sie das Problem behoben hatte und dass die nachfolgenden Durchläufe zu Ergebnissen führten, mit denen sie zufrieden war.

Auch O'Sullivan musste Rückschläge hinnehmen, als sie den Entwicklungsprozess verfeinerte, um Membranen herzustellen, die den zum Verkauf angebotenen Membranen ebenbürtig waren. „Es gibt Tage, an denen wir große Fortschritte machen und die Dinge klappen“, sagte O'Sullivan. „An anderen Tagen ist es ein Schritt vorwärts, zwei Schritte zurück.“

Es ist ein Muster, das das Duo dazu veranlasste, im Labor ein gemeinsames Mantra zu übernehmen: Fortschritt! mit einem Ausrufezeichen versehen – und halten Sie sogar ein kleines Stück Holz bereit, auf das Sie klopfen können, wenn die Forschung gut lief. Beide Studenten sagten, der SURF-Forschungsprozess habe dazu beigetragen, alle „verherrlichten Vorstellungen davon, wie Forschung aussehen sollte und nicht davon, was sie ist“, zu beseitigen, bemerkte Jafree. Sie lobten Dr. McLeskey dafür, dass er ihnen die Freiheit gab, neue Dinge auszuprobieren, und die Unterstützung, die sie brauchten, wenn Hindernisse auftauchten.

„Es ist immer ein Gespräch mit Dr. McLeskey“, sagte Jafree. „Er gibt Ihnen die Möglichkeit, Ihr Projekt in die Hand zu nehmen, indem er Ratschläge gibt, ohne es schwarz auf weiß zu machen. Er ermutigt Sie, neue Dinge auszuprobieren und zu sehen, wohin es Sie führt.“

„Die Forschung wird nicht ganz reibungslos verlaufen“, fügte O'Sullivan hinzu. „Ein paar Türen weiter hängt ein Plakat mit der Aufschrift: ‚Wenn wir wüssten, was wir tun, würde man es doch nicht Forschung nennen, oder?‘ Das fasst es perfekt zusammen.