Из грязной воды селективно извлекли ртуть

Uliana et al. / Science, 2021

Американские материаловеды получили новые мембраны, которые могут не только очистить и опреснить воду, но и селективно извлечь более 99 процентов ртути, меди, железа и борной кислоты. Мембрана массой в один килограмм может очистить 34500 литров воды с содержанием ртути пять миллионных долей, и ее можно использовать в для очистки разных вод: грунтовых, сточных, солоноватых. В дальнейшем авторы планируют извлекать из воды и другие вредные или ценные металлы. Результаты исследования опубликованы в журнале Science.

С проблемами недостатка чистой пресной воды уже сегодня сталкиваются два из трех жителей нашей планеты, а в будущем в связи с потеплением климата дефицит питьевой воды скорее всего усилится. Известно множество способов очистки и опреснения воды, но у них есть общий недостаток – большой расход энергии и высокая цена. Поэтому ученые продолжают искать новые более дешевые и простые методы получения чистой воды.

Один из таких методов – электродиализ с использованием ион-обменных мембран. Такие мембраны являются полупроницаемыми – пропускают только ионы с определенным зарядом (или положительным или отрицательным) и остаются непроницаемыми для ионов с противоположным зарядом и нейтральных частиц. Приложив к емкости с водой электрическое поле, можно заставить ионы двигаться в заданном направление, а затем отделить их с помощью мембраны. Однако, у этого способа есть недостаток – кроме чистой воды в конце эксперимента образуется небольшое количество воды с высоким уровнем загрязнений, которую затем надо утилизировать.

Решение этой проблемы отыскали американские материаловеды под руководством Джеффри Лонга (Jeffrey R. Long) из Калифорнийского университета в Беркли. Они модифицировали ион-обменные мембраны с помощью наночастиц пористых ароматических каркасных структур (PAF) и сумели не только очистить воду, но и селективно извлечь из нее растворенные ионы металлов.

Частицы PAF представляют собой сеть тетраэдров, ребра которых состоят из ароматических углеводородных фрагментов, модифицированных функциональными группами. Варьируя тип групп и длину ребер тетраэдра, можно получать наночастицы, которые улавливают положительно заряженные ионы (катионы) или отрицательно заряженные ионы (анионы) разных размеров. Авторы получили четыре вида PAF с разными группами и добавили их к материалам стандартных ион-селективных мембран на основе полисульфона (PSF). Для этого они готовили суспензию наночастиц PAF и сульфонированного полисульфона в диметилформамиде, перемешивали ее в течение двух часов, а затем наносили на стеклянные подложки и давали растворителю испариться. Таким способом можно добавить к PSF до двадцати массовых процентов PAF, и полученный композит остается стабильным даже в концентрированных щелочах и кислотах.

Затем авторы провели пилотный эксперимент по извлечению ионов ртути из воды. Для этого они приготовили образцы грунтовой, сточной и солоноватой (этим термином обозначают смесь морской и пресной воды), в которые добавили по пять миллионных долей солей ртути. Мембрану с добавками PAF-SH, которые селективно адсорбируют ртуть, разместили в емкости для электродиализа ближе к катоду — отрицательно заряженному электроду. После замыкания цепи все катионы металлов начали двигаться к катоду, при этом катионы ртути адсорбировались на мембране, а остальные катионы проходили сквозь мембрану и скапливались в прикатодном отсеке. В центральном отсеке концентрация металлов постепенно уменьшалась до неопределяемых значений. Время электродиализа зависело от содержания других ионов – самую бедную ионами грунтовую воду удалось полностью очистить всего за два часа, а солоноватую – за шестнадцать. Авторам удалось адсорбировать на мембраны более 99 процентов ртути, практически не загрязненной другими металлами. Чтобы после окончания эксперимента извлечь ртуть из заполненной мембраны, достаточно было промыть ее соляной кислотой, а затем нитратом натрия. Саму мембрану можно использовать многократно – за десять циклов использования емкость извлечения ртути снизилась всего на восемь процентов. Лонг и его коллеги рассчитали, что мембрана массой в один килограмм сможет очистить 34500 литров воды с содержанием ртути пять миллионных долей.

Используя другие модификации PAF авторы также сумели извлечь из воды 99,9 процента катионов железа, 99,9 процента катионов меди и 99,5 процента анионов борной кислоты. В дальнейшем, используя другие функциональные группы и варьируя размер пор, они планируют извлечь из воды золото, уран и другие опасные или ценные металлы. Можно поместить в одну емкость для электродиализа две мембраны – для извлечения катионов и анионов – и извлекать, например, ртуть и борную кислоту одновременно.

Поскольку наночастицы PAF хорошо комбинируются с известными ион-проницаемыми мембранами, новую технологию можно будет применять на уже существующих системах для очистки воды.

Прообразами пористых мембранных фильтров люди начали пользоваться более двух тысяч лет назад. Например, в конце прошлого года американские археологи выяснили, что древние индейцы Майя очищали воду с помощью цеолитов – пористых алюмосиликатных минералов периодически расположенными каналами размером около десяти ангстремов. Как предполагают авторы статьи, сначала индейцы брали воду из природного источника, богатого цеолитами, а затем догадались сделать такой фильтр самостоятельно.

А о современных способах очистки воды можно почитать в нашем материале «Фильтруй с умом».

Наталия Самойлова

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.