CAREER: Bioinspired Artificial Channel Water Treatment Membranes

职业:仿生人工渠道水处理膜

基本信息

  • 批准号:
    1552571
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Standard Grant
  • 财政年份:
    2016
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2016-05-01 至 2019-10-31
  • 项目状态:
    已结题

项目摘要

1552571KumarThe goal of this CAREER program is to utilize the principal investigator's (PI's) diverse industrial and academic experience to build an integrated research, education ,and outreach program centered on bioinspired membranes for water treatment. This program is relevant to food-energy-water nexus problems and solutions. Artificial water channels, a new class of channels made using organic synthesis, were recently demonstrated by the PI to have permeability properties similar to biological water channels, or aquaporins, and their current synthetic analogs, carbon nanotubes. This research approach has the potential to be a "game changer" in membrane treatment of water.The technical goal of this project is to design and synthesize a new class of membranes based on peptide-appended pillar[5]arene channels. The central hypothesis of the proposed work is: Solvent compatible channels will enable the scalable synthesis of practical ultra-permeable channel-based membranes. The scientific research objectives of the program are: 1) Understand the effect of angstrom-scale pore properties of diameter, hydrophobicity, and charge, on selectivity and water permeability using model peptide-appended pillar[5]arene channels; 2) Explore the compatibility of peptide-appended pillar[5]arene channels with block copolymer membranes and use this knowledge to maximize channel packing; and, 3) Correlate the structure and transport properties of peptide-appended pillar[5]arene block copolymer membranes. The tunable pore size will allow application of these membranes across critical areas of water treatment and reuse including: 1) drinking water treatment, 2) brackish water and seawater desalination, and, 3) wastewater reuse. The compact nature of membrane technology will allow its implementation in decentralized treatment as well as in low footprint centralized treatment in dense urban areas. Overall, given the increasing pressure on water sources and the interconnectedness of energy, food, and water operations, success in the proposed program can have a significant impact on the food-energy-water nexus. The proposed program will utilize bioinspired membranes and their connection to water transport in natural systems, such as plants and the human body, to engage diverse students at all levels (K-12 though graduate) in multidisciplinary research and education activities. The three specific educational objectives of the proposed program are: 1) Provide early stage mentorship to a diverse multidisciplinary group of engineering undergraduates (UGs) through first year seminars and research engagement; 2) Evaluate four UG research engagement models common at universities; and 3) Expand and diversify a current water-science-based K-12 summer camp and assess its impact on participants.
1552571Kumar这项职业计划的目标是利用主要研究者(PI)的多样化工业和学术经验来建立以生物启发的膜为中心的综合研究,教育和外展计划进行水处理。该计划与食物能 - 水联系问题和解决方案有关。 PI最近证明了人造水通道是一种使用有机合成的新通道,其具有类似于生物水通道或水通道蛋白的渗透性特性及其当前的合成类似物,碳纳米管。这种研究方法有可能成为水的膜处理中的“改变游戏规则”。该项目的技术目标是设计和合成基于肽申请的支柱[5] Arene频道的新膜。所提出的工作的中心假设是:溶剂兼容通道将使实用的超可渗透通道膜的可扩展合成。该程序的科学研究目标是:1)了解使用模型肽涂层支柱[5]芳烃通道,了解直径,疏水性和电荷对选择性和水的渗透性的影响; 2)探索与块共聚物膜的肽相关支柱[5] Arene通道的兼容性,并使用此知识来最大化通道堆积; 3)将肽申请的支柱的结构和转运特性相关联[5] Arene Block共聚物膜。可调孔的大小将允许在关键水处理和再利用区域中应用这些膜,包括:1)饮用水处理,2)咸水和海水脱盐,以及3)废水再利用。膜技术的紧凑性将允许其在分散治疗以及在密集城市地区的低足迹集中治疗中实施。总体而言,鉴于水源的压力越来越大,能源,食物和水的互连性,该计划的成功可能会对食品能量 - 水的联系产生重大影响。拟议的计划将利用生物启发的膜及其与自然系统(例如植物和人体的水运输)的联系,使各个级别的多元化学生(K-12毕业生)参与多学科研究和教育活动。拟议计划的三个特定教育目标是:1)在第一年的研讨会和研究参与度之前,为多样化的多学科工程本科生(UGS)提供早期指导; 2)评估大学常见的四种UG研究参与模型; 3)扩大和多样化当前基于水科学的K-12夏令营并评估其对参与者的影响。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Effective pathogen removal in sustainable natural fiber Moringa filters
  • DOI:
    10.1038/s41545-022-00170-5
  • 发表时间:
    2022-07-06
  • 期刊:
  • 影响因子:
    11.4
  • 作者:
    Samineni,Laxmicharan;De Respino,Sophie;Kumar,Manish
  • 通讯作者:
    Kumar,Manish
Porous Vesicles with Extrusion-Tunable Permeability and Pore Size from Mixed Solutions of PEO-PPO-PEO Triblock Copolymers
PEO-PPO-PEO 三嵌段共聚物混合溶液中具有挤出可调渗透性和孔径的多孔囊泡
  • DOI:
    10.1002/macp.201700620
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Schantz, A. Benjamin;Ren, Tingwei;Pachalla, Abhishek;Shen, Yuexiao;Hickey, Robert J.;Kumar, Manish
  • 通讯作者:
    Kumar, Manish
Design Considerations for Artificial Water Channel–Based Membranes
基于膜的人工水道的设计注意事项
  • DOI:
    10.1146/annurev-matsci-070317-124544
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
  • 影响因子:
    9.7
  • 作者:
    Song, Woochul;Lang, Chao;Shen, Yue-xiao;Kumar, Manish
  • 通讯作者:
    Kumar, Manish
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    0
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    Manish Kumar;Nirav Ajmeri;S. Ghaisas
  • 通讯作者:
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