Artikkel

Hvordan filtrere vann uten å bruke tradisjonelt filter?

Endre Joachim Mossige
– Den lille silisiumbrikken har mange anvendelsesområder i tillegg til rensing av drikkevann, som for eksempel filtrering av alger og mikroplastkuler, forteller Endre Joachim Mossige. Foto: Dag Inge Danielsen/UiO Bruk bildet.

Hvordan filtrere vann uten å bruke tradisjonelt filter?

En ny måte å filtrere vann på gjør det mulig å skille ut partikler som er mindre enn åpningene i filteret – fordi teknologien baserer seg på å utnytte væskestrømmens egenskaper.

Den nye filtreringsteknologien kan virke som et columbi egg, siden den løser flere problemer på en gang:

  • Filteret blir ikke tett.
  • Mange typer partikler kan skilles ut, deriblant levende alger og mikroplastkuler.
  • Mulige bruksområder, i tillegg til rensing av drikkevann, spenner fra produksjon av biodrivstoff til medisinske formål, metallurgi, brenselsceller og rensing av mikroplast i havet.

Separasjonen av partikler foregår i kanaler som er mindre enn en tidels millimeter dype. I disse kanalene er det plassert bittesmå filterenheter med en form som minner om forhistoriske trilobitter.

Endre Joachim Mossige tok nylig doktorgraden ved Matematisk institutt på UiO på hydrodynamisk separasjon og konsentrasjon av partikler i henhold til størrelse ved bruk av denne teknologien, som først ble utviklet av Trilobite Microsystems.

Mossige har undersøkt potensialet i filterteknologien. Han påviser at det er mulig å skille partikler fra hverandre fordi små partikler følger vannstrømmen bedre enn store partikler.

– Denne effekten blir forsterket når væskemengden øker, forteller han.

– Effekten kan sammenlignes med sentrifugalkraften. Tenk bare på hvordan en liten og lett bil klarer en krapp sving på vinterføre mye bedre enn en stor og tung bil, som sklir av veien. Ved å bruke dette prinsippet kan vi skille harde plastkuler fra hverandre på grunnlag av størrelse. Det samme gjelder myke, levende algeceller.

Livet til en partikkel

Fluidmekanikk

En samlebetegnelse for fluiddynamikk, det vil si væsker og gasser i bevegelse, og fluidstatikk, det vil si væsker og gasser i ro.

Det var i andreklasse på maskiningeniørstudiet på NTNU i Trondheim at Mossige fikk opp øynene for fagområdet væske- og gasstransport, kjent som fluidmekanikk (se faktaboks). Senere var han utvekslingsstudent ved University of California Santa Barbara i USA. Der tok de opp problemstillinger som:

  • Hvorfor samler boblene seg langs kanten av kaffekoppen?
  • Hva har gassboblene i champagne å si for smaken?
  • Hvorfor faller et sandkorn fortere i luft enn i vann? Hva har størrelsen og formen å si for farten?
  • Hvordan svømmer en sædcelle?

Året i Santa Barbara gjorde at Mossige ble sikker i sin sak: Han ville studere og jobbe med småskalafluidmekanikk, kjent som mikrofluidikk, og partikkeltransport. Noen år senere, etter fullført mastergrad og en periode i en jobb med simuleringsmodeller, havnet han på et arrangement i regi av nettverket Silicon Vikings. Der møtte han norske næringslivsfolk som satset på teknologibedrifter i USA.

En av dem var Eirik Egeland, som hadde etablert et firma for filtrerings- og separasjonsteknologi, Trilobite Microsystems, med base i Kristiansand. Firmaet var startet i nært samarbeid med forskere ved Høgskolen i Vestfold, deriblant Birgitte K. Hønsvall, også hun opptatt av hvordan stoffer oppfører seg i mikrokanaler. De første testene viste at filteret tettet seg under vanlig bruk. Mossige ble ansatt for å finne ut hvordan væskestrømmen gjennom filteret kunne styres for å unngå tetting.

Etterhvert fikk han støtte fra Forskningsrådets ordning for nærings-PhD, slik at han i 2013 kunne begynne på doktorgradsarbeidet.

Du kan følge med på forskningen i teknologi og realfag ved å følge oss på Facebook eller abonnere på nyehtsbrevet vårt.

Hydrodynamisk separasjon

For å studere og måle strømningene gjennom filteret eksperimenterte Mossige med kombinasjoner av ulike fotograferingsteknikker, blant annet med laser, for å oppnå tilstrekkelig nøyaktighet. Han forklarer at det er tre hovedpoenger med filtreringsteknologien:

  1. Man kan separere partikler fra hverandre basert på størrelse.
  2. Man kan fremstille et konsentrat av partikler som er over en viss størrelse.
  3. Man kan få en væske som inneholder få eller ingen partikler. Dette kan for eksempel brukes til drikkevann, ballastvann eller i fiskeoppdrett.

Hovedforskjellen på denne og andre filtreringsteknologier er at det i konvensjonell filtrering er porestørrelsen i filteret som avgjør hvilke partikler som konsentreres og hvilke som går gjennom, i tillegg til at vanlige filtre tetter.

– Når man i stedet bruker væskestrømmen til å bestemme hvilke partikler som filtreres ut fra partiklenes størrelse, har det flere fordeler. Siden kostnaden forbundet med å lage små porer er høy, vil hydrodynamisk separasjon kunne gi billigere filtre på sikt. Dette fordi nedre filtreringsgrense ikke lenger er gitt av porestørrelsen.

Mikroalger og blodceller

Endre Joachim Mossige har som en del av oppgaven brukt teknologien til å konsentrere mikroalger, noe som kan brukes til å fremstille biomasse og biodrivstoff. Filtreringsteknologien kan også brukes til større alger.

Resultatene av forsøkene til Mossige viser videre at man kan separere partikler ut fra andre kriterier enn størrelse, som for eksempel mykhet/stivhet og tetthet. Dette åpner for anvendelse innen medisin, der separering av blodceller kan være en behandlingsform. Mossige ser for seg at malariainfiserte blodceller kan filtreres fra friske blodceller fordi de har en annen stivhet, og han vil gjerne teste dette.

Den største utfordringen ved å kommersialisere filteret og bruke teknologien på større væskemengder handler om kostnader. Filteret er bygget inn i en bitteliten – og kostbar – silisiumbrikke. For å filtrere i stor skala trengs mange slike brikker.

– Hva blir dine neste forskningsoppgaver?

– Jeg har søkt om midler til en postdoktor-stilling i USA. Hvis det går i orden, vil jeg begi meg inn på et litt annet fagområde. Da vil det handle om hvordan dråper sprer seg på en overflate – noe som har betydning for overflatebehandling av en lang rekke ulike materialer.

Mer informasjon om Mossiges doktogradsavhandling: ”Continuous Hydrodynamic Separation and Concentration of Particles according to Size by use of the Trilobite Technology”.
Resultatene skal legges frem på den årlige konferansen i fluidmekanikk som arrangeres av American Physical Society Division of Fluid Dynamics 19. - 21. november 2017.

Kontakt:

Endre Joachim Mossige

Mer på Titan.uio.no:

Tags: 

Skriv ny kommentar

Verifiser deg (din epost-adresse vil ikke bli vist offentlig)

Les også

Løvenes konge-pastisj

Kampen om dyretronen

En sibirsteinbukk-hunn vil bare følge den hannen som har vunnet i kamp mot de andre, hos flekkhyenen er det hannene som vier livet sitt til å følge hunnene. Sosialt hierarki i dyreriket er like varierende som dyrene selv.

Hus begravd i slam etter Lusi-utbruddet

Kilden til verdens største slamutbrudd er funnet

I 2006 ble det utløst flere slamutbrudd fra vulkaner nordøst på den svært folkerike øya Java.  Det mest aktive utbruddet - Lusi - er fortsatt aktivt, og forskerne ser det nå i samenheng med et nærliggende vulkansystem.

Professor Norbert Roos med et av IBVs kryoelektronmikroskoper

Mange ristet på hodet, men resultatet ble en nobelpris

Kjemikeren Jacques Dubochets første forsøk på å lage et kryoelektronmikroskop endte med at linsene i mikroskopet ble brukt til verdens dyreste askebegre. De neste forsøkene gikk bedre, og nå er innsatsen belønnet med en nobelpris.