Узоры из пузырей на мембране повысили эффективность опреснения воды

Z. Tan et al./ Science, 2018

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

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.