Tunable ion separations with micro-structured composite membranes

TIES-prosjektet har et ambisiøst mål: å utvikle en ny metode for å selektivt skille ut ioner. Denne metoden kan bli en viktig ressurs for både å samle sjeldne jordartsmetaller, som er verdifulle i moderne teknologi, og for å rense vann for mikroforurensninger som PFAS. For å oppnå dette vil prosjektet utforske en ny prosess kalt elektro-osmodialyse, som kombinerer egenskapene til membran- og elektroforetiske teknikker – og bringer dette fra teori til praktisk bruk. Metoden fungerer ved å skape en spesialdesignet membran som kan justeres for å skille bestemte ioner med presisjon. Tanken er å gjøre det mulig å både kontrollere prosessen og teste hvordan disse membranene kan fungere i stabelsystemer, noe som kan gjøre storskala separasjon praktisk og økonomisk gjennomførbart. Dette kan være en løsning på både miljøutfordringer og industrielle behov, da TIES spesielt ser på hvordan vi kan utvikle bærekraftige og etiske metoder for å få tak i sjeldne jordartsmetaller og rent vann. TIES-prosjektet involverer også nyskapende bruk av datavitenskap og materialdesign. Ved hjelp av maskinlæring og avansert dataanalyse vil forskerne identifisere de beste materialene og membranstrukturene for å optimalisere separasjonsprosessen. Prosjektet vil eksperimentere med elektro-osmodialyse på ulike ionetyper, teste ulike membransystemer og se hvordan dette kan løse utfordringer med forurenset vann og sjeldne jordartsmetaller. TIES ønsker å bidra til en større utvikling innen separasjonsteknologi, der dagens begrensninger i membran- og elektroforetiske metoder kan bli overvunnet. Den nye teknologien kan ha positive effekter for en rekke bruksområder, fra vannbehandling til ressurssikring i teknologisk industri. Prosjektet involverer samarbeid mellom forskere innen alt fra vann- og miljøteknologi til samfunnsvitenskap, og vil styrke norsk kompetanse og posisjon internasjonalt.

TIES addresses the societal challenges of finding sustainable and ethical sources of rare earth elements and ensuring the availability of micropollutants-free water. It focuses on the trade-off between selectivity and productivity of membrane and electrophoretic techniques towards ions of the same charge. The project will investigate the opportunity of coupling electroosmosis with current-induced ion concentration polarisation in a novel electro-osmo-dialysis process. It seeks to fulfil the knowledge needs for advancements in experimental evidence and theoretical understanding, which are necessary to control the new process. The theoretical approach is based on understanding current-induced ion concentration polarisation that appears close to the interface between charged porous and micro-structured perm-selective layers. The major scientific question is how to facilitate and control the selective separation of ions with specific diffusion coefficients in such a process. The project proposes two hypotheses on how to combine and control electroosmosis and current-induced ion concentration polarisation. TIES integrates data science and material design into a novel interdisciplinary approach of data-driven membrane discovery that includes material space construction and exploration, candidate selection and verification, providing data for machine learning models to optimise membrane properties, structure, and fabrication. The project will also investigate electro-osmo-dialysis of various ion species, integrate and test stack-like systems on rare earth elements and water micropollutants. The project is ambitious in shedding light on the bigger picture of high-throughput fine ion separations, a significant scientific challenge. Removing the limitations of current membrane and electrophoretic techniques can positively impact the field of separation methods in numerous applications.