Узоры из пузырей на мембране повысили эффективность опреснения воды

Китайские химики синтезировали новый тип шероховатых полиамидных мембран для опреснения воды, которые по своей эффективности значительно превосходят аналогичные плоские мембраны. Для синтеза мембран ученые использовали реакционно-диффузионный механизм, который приводит к возникновению на поверхности системы пузырей и протяженных складок, увеличивающих площадь рабочей поверхности мембраны, пишут ученые в Science.

В 1952 году английский математик Алан Тьюринг опубликовал работу, в которой теоретически описал химический процесс, протекающий в двухкомпонентной системе с различными коэффициентами диффузии компонентов. Предложенная Тьюрингом модель учитывала не только кинетику химической реакции, но и перераспределение реагентов в пространстве с течением времени и, таким образом, предсказывала возможное образование стационарных периодических структур в химических системах, которые находятся в состоянии, далеком от термодинамического равновесия. Например, именно механизм Тьюринга теоретически объясняет возможность протекания колебательных реакций, таких как реакция Белоусова—Жаботинского. Кроме того, подобные процессы могут приводить к образованию стабилизации химических или геометрических паттернов на биологических поверхностях или в искусственных системах.

Группа китайских химиков под руководством Линя Чжана (Lin Zhang) из Чжэцзянского университета предложила использовать механизм стабилизации Тьюринга для повышения эффективности опреснения воды с помощью полимерных мембран. Для это мембрану получали с помощью реакции поверхностной полимеризации, скорость которой определяется концентрацией двух пространственно разделенных веществ: катализатора и ингибитора. Ученые отмечают, что для реализации механизма Тьюринга скорость диффузии у ингибитора должна быть больше, чем у катализатора.

В данном случае по такому механизму ученые проводили реакцию поверхностной полимеризации полиамида, в качестве активатора реакции использовался пиперазин, а в качестве ингибитора — тримезоил хлорид. Полимерная мембрана синтезировалась на твердой пористой подложке, которая разделяла органическую и водную половины реактора. Поскольку активатор и ингибитор растворяются в разных фазах, то одному из них для дальнейшего протекания реакции приходится проникать сквозь нанопоры, что приводит к отличию коэффициентов диффузии примерно в 10 раз и, в конечном итоге, становится причиной полимеризации мембраны тьюринговского типа.

За счет неоднородного пространственного распределения концентраций катализатора и ингибитора на отдельных небольших участках такой мембраны происходит ускорение полимеризации, которое ведет к локальному увеличению площади мембраны. В результате эти участки поднимаются над поверхностью, образуя своеобразные «карманы» для водного раствора в органической половине системы. В зависимости от начальной концентрации активатора и ингибитора в системе могут образоваться пленки двух структур: в которых эти карманы имеют одномерную структуру — фактически располагаясь в виде одиночных пузырей над отдельными порами подложки, — или с двумерной структурой при объединении в протяженные полосы.

Ученые утверждают, что синтезированные мембраны очень эффективны при опреснении воды — как раз за счет наличия поверхностных карманов, которые значительно увеличивают площадь рабочей поверхности. По количественным показателям обе модификации мембраны оказались заметно эффективнее плоских полиамидных мембран на твердой пористой подложке — как по проницаемости, так и по эффективности опреснения. При этом более эффективной за счет наличия более объемных водных карманов оказалась мембрана, состоящая из протяженных трубчатых образований. Так, при разнице давлений в 4,8 атмосфер поток воды через первый тип мембраны составил примерно 60 литров на квадратный метр мембраны в час, а для мембраны второго типа — примерно в два раза больше. При этом эффективность опреснения для хлоридов магния и кальция, а также сульфатов магния и натрия превосходит 90 процентов, лишь для хлорида натрия она лежит в районе 50 процентов.

Чтобы показать, что основной поток воды действительно проходит через выступающие над подложкой карманы, ученые провели подобный эксперимент для очистки воды не от отдельных ионов, а от золотых наночастиц. Эти частицы хорошо видно с помощью электронного микроскопа, поэтому по местам их скопления после фильтрации, ученым удалось подтвердить, что вода действительно просачивается в первую очередь через пузыри на поверхности мембраны.

Несмотря на то, что авторы работы не проводят сравнения с современными коммерческими мембранами, полученные ими результаты свидетельствуют о том, что предложенный ими метод получения мембран с помощью химических процессов с реакционно-диффузионным контролем крайне перспективен для увеличения площади рабочей поверхности и повышения эффективности очистки и опреснения воды.

Подобные реакционно-диффузионные реакции происходят и в живых организмах. Например, недавно, немецким физикам удалось использовать подобную теорию для описания динамики формирования сложных белковых паттернов на мембране клетке. Такие узоры необходимы для жизнедеятельности клеток и формируются, например, для разметки мембраны перед делением клетки.

Александр Дубов