Использование мембран для опреснения воды

Новые мембраны могут удалять соль из воды

Команда под руководством Университета науки и технологий имени короля Абдуллы (KAUST) продемонстрировала, как ультратонкие упорядоченные мембраны на основе полимеров могут эффективно удалять соль из рассола и морской воды, предлагая потенциальную альтернативу существующим системам опреснения.

«Мембраны для опреснения воды должны одновременно демонстрировать высокий поток воды и высокое сопротивление соли», — говорит Ю Хан, руководивший исследованием. Предполагается, что углеродные наноматериалы, такие как углеродные нанотрубки и графен , будут соответствовать этим требованиям из-за их уникального химического состава поверхности и склонности укладываться в каналы диаметром менее одного нанометра. Однако проблемы выравнивания и укладки каналов препятствуют их широкомасштабному использованию в мембранах.

Исследователи KAUST разработали мембрану (на фото выше) с превосходными характеристиками опреснения воды в конфигурациях прямого и обратного осмоса. Кредит: 2022 КАУСТ; Анастасия Серин

«Одним из способов преодоления этих ограничений является использование двумерных пористых углеродных мембран с регулярными и равномерно распределенными молекулярными транспортными каналами субнанометрового размера», — говорит первый автор Джи Шен, постдоктор из группы Хана. Однако эти мембраны, как правило, синтезируются в растворе, что способствует беспорядочному росту неупорядоченной трехмерной структуры с плохо выраженными микропорами.

Используя химическое осаждение из паровой фазы, Ю Хан, Винсент Тунг, Инго Пиннау и Лэнс Ли, бывший научный сотрудник KAUST, который теперь работает в Университете Гонконга, разработали метод, который помогает контролировать рост двумерных сопряженных полимерных каркасов в ультратонкие углеродные пленки.

Ученый-исследователь Ичен Цай и его команда в настоящее время работают над улучшением противообрастающих свойств, механической прочности и долгосрочной химической стабильности мембраны для будущих практических применений. Кредит: 2022 КАУСТ; Анастасия Серин

• Исследователи нанесли мономер триэтинилбензол на атомарно-плоские монокристаллические медные подложки в присутствии органического основания, которое действует как катализатор.
• Триэтинилбензол содержит три реакционноспособные группы, которые служат якорными точками для дополнительных мономеров.
• Эти группы расположены под углом 120 градусов по отношению друг к другу, создавая организованные массивы четко определенных циклических структур, которые укладываются в ромбические гидрофобные каналы субнанометрового размера.

Мембрана продемонстрировала отличные характеристики опреснения воды в конфигурациях прямого и обратного осмоса, превосходя мембраны, содержащие современные материалы, такие как углеродные нанотрубки и графен. Он также показал сильное отторжение двухвалентных ионов, а также небольших заряженных и нейтральных молекул.

Движение воды в мембране

Исследователи обнаружили, что молекулы воды образуют внутри мембраны трехмерную сеть, а не движутся сквозь мембрану по вертикальным треугольным каналам в виде одномерных цепочек. Это объясняет быстрый транспорт воды через мембрану. «Этот неожиданный результат показал, что кажущиеся дискретными вертикальные каналы на самом деле связаны между собой короткими горизонтальными каналами, которые можно легко не заметить в спроектированной структурной модели», — говорит Хан.

В настоящее время команда работает над улучшением противообрастающих свойств, механической прочности и долгосрочной химической стабильности мембраны для будущих практических применений. Они также настраивают его свойства поверхностного заряда и размеры каналов. «Наша конечная цель — предоставить универсальную многофункциональную платформу, отвечающую потребностям различных приложений, таких как ионное просеивание, обнаружение отдельных молекул и нейронные интерфейсы», — говорит Хан.

Источник

Метки: Опреснение