Water desalination by MoS2 nanoporous membrane : a molecular dynamics analysis

Abstract

Water scarcity is one of the most significant challenges of our time, and scenarios predicted by leading scientists in this area indicate that it will worsen in the next decades. New technologies based on seawater desalination can prevent the worst scenarios. With this goal, membranes based in nanoporous materials have been suggested in recent years. One of the materials proposed is molybdenum disulfide (MoS2). To understand the waterions-nanopore relationship and get insights into how to design new nanomaterials for desalination, classical Molecular Dynamics (MD) simulation is one of the most powerful tools to explore it. Different ways to compare the influence of pore chemistry and geometry were evaluated in this work. It was analyzed how sensitive the water flow and salt rejection are due to nanopore sizes and pore chemistry changes. In some cases, the chloride blocking effect may emerge. To clarify this point, we conducted studies on how the selection of the ionic model can affect the water flux and ionic rejection. The role of the screening factor in the Coulomb interaction in water transport and ionic blockage was elucidated. Also, we have learned that pore chemistry has immense effects on the hydrogen bonding network near and inside nanopores. When the hydrogen bond network is favorable, the water transport is enhanced. From a nanopore density analysis, no higher-order effect due to the proximity between neighbors nanopores was observed. The outcomes of these analyses are unprecedented and the prospects for further studies on this subject are promising. In terms of desalination technology in general, the next-generation membranes need to be very selective and membrane fouling resistant. We hope this work supports to guide future developments in nanomaterials for water desalination.

A escassez de água é um dos mais maiores desafios dos tempos atuais, e os prognósticos realizados por cientistas indicam que o cenário irá piorar nas próximas décadas. Novas tecnologias baseadas em dessalinização do mar podem ajudar a prevenir os piores cenários. Com esse intuito, materiais nanoporosos têm sido sugeridos nos últimos anos. Um dos materiais propostos é o dissulfeto de molibdênio (MoS2). Para entender a dinâmica da água-ion-nanoporo e inspirar como projetar novos nanomateriais para a dessalinização, a Dinâmica Molecular clássica se apresenta como uma das ferramentas mais poderosas para esse propósito. Diferentes maneiras de comparar a influência da química e geometria do poro foram desenvolvidas neste trabalho. Foi analisado o quão sensível é a vazão da água e a rejeição do sal com relação a variações nos tamanhos e química do nanoporo. Em alguns casos, o fenômeno de bloqueamento do poro emerge. Para esclarecer esse ponto, conduzimos estudos sobre como diferentes modelos de íons podem afetar o fluxo da água e a rejeição iônica. O papel da blindagem da interação Coulombiana no transporte da água e no bloqueamento iônico foi elucidado. Além disso, aprendemos que a química do poro tem enorme impacto na rede de ligações de hidrogênio perto e dentro do nanoporo. Quando a rede de ligações de hidrogênio é favorecida, o transporte de água é melhorado. Por meio da análise de densidade de nanoporos, não fora observado nenhum efeito de maior ordem devido a proximidade de nanoporos vizinhos. Os resultados obtidos são inéditos e futuros estudos na área são promissores. Em termos de tecnologia de dessalinização em geral, a próxima geração de membranas precisa ser muito seletiva e resistente a bloqueamentos. Acreditamos que esse trabalho contribui para guiar futuros desenvolvimento de nanomateriais para dessalinização da água.