Впервые группа исследователей из Университета Стоуни-Брук и Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США раскрыла молекулярную структуру мембран, используемых в обратном осмосе. Об исследовании сообщается в недавно опубликованной статье в ACS Macro Letters, журнале Американского химического общества (ACS).
Обратный осмос является ведущим методом преобразования солоноватой или морской воды в питьевую или питьевую воду, и по данным Международной водной ассоциации, он используется для производства около 25 000 миллионов галлонов пресной воды в день во всем мире.
«Большая часть воды на Земле находится в океанах, и только три процента составляют пресная вода, поэтому очистка воды является важным инструментом для удовлетворения растущего спроса на питьевую воду», - сказал старший научный сотрудник Брукхейвенской лаборатории Бенджамин Око. «Обратный осмос не является новой технологией, однако молекулярная структура многих очень тонких полимерных пленок, служащих барьерным слоем в мембранах обратного осмоса, несмотря на ее важность, ранее не была известна».
Тонкий полимерный барьерный слой, используемый в обратноосмотической мембране, является полупроницаемым. Небольшие молекулы, такие как вода, могут переходить с одной стороны мембраны на другую, но другие молекулы, такие как гидратированные ионы натрия или хлорида, не могут пересекать барьерный слой. Именно эта характеристика позволяет этим мембранам отфильтровывать соль из солевого раствора для приготовления питьевой воды. Во время коммерческого процесса обратного осмоса соленая вода находится под давлением, чтобы протолкнуть пресную воду через мембрану.
Поскольку морская вода должна продавливаться через мембрану, энергопотребление установок обратного осмоса велико. Чтобы произвести 100 галлонов пресной воды с обратным осмосом, затраты энергии составляют около одного киловатт-часа, что эквивалентно работе 100-ваттной лампочки в течение 10 часов.
«Даже небольшие улучшения в характеристиках фильтрующих мембран приведут к огромной экономии энергии и затрат во всем мире», - сказал Бенджамин С. Сяо, выдающийся профессор Университета Стоуни-Брук. «Поэтому мы рассматриваем мембраны на молекулярном уровне. Мы хотим выяснить, как молекулярная структура способствует созданию высокоэффективных мембран, и использовать эти знания для разработки улучшенных мембран».
Для этих измерений команда создала четкую тонкую полимерную пленку на границе раздела нефть/вода, используя метод, называемый межфазной полимеризацией, который похож на промышленный процесс. Подобно двухкомпонентной эпоксидной смоле, один из молекулярных компонентов добавляется в воду, а другой - в масло. На границе раздела, где соприкасаются вода и масло, как на границе раздела масла и уксуса в заправке для салата, два молекулярных компонента реагируют друг с другом и создают очень тонкую полимерную пленку.
«Полученная тонкая пленка составляет всего одну тысячную толщины человеческого волоса. Она также структурно похожа на тонкий барьерный слой в коммерческих мембранах обратного осмоса, но она намного более гладкая», - сказал Франсиско Медельин-Родригес., профессор Автономного университета Сан-Луис-Потоси в Мексике. «Для изучения этих тонких пленок нам нужны ультраяркие рентгеновские лучи, а также передовые инструменты анализа и моделирования».
Используя ультраяркие рентгеновские лучи от Национального источника синхротронного света II (NSLS-II), исследовательского центра Министерства энергетики США в Брукхейвене, исследователи начинают распутывать взаимосвязь между молекулярной структурой мембран и их эффективность.
По словам Циньи Фу, аспиранта Университета Стоуни-Брук и ведущего автора исследования, «Чтобы определить молекулярную структуру мембран, команда изучила картины рассеяния рентгеновских лучей, используя технику, называемую скользящим движением». Падающее широкоугольное рассеяние рентгеновских лучей на линиях пучков рассеяния сложных материалов (CMS) и интерфейсов мягких материалов (SMI) NSLS-II."
В этой технике рентгеновские лучи падают на мембрану под небольшим углом и рассеиваются от поверхности. Затем они улавливаются детектором, который регистрирует так называемую картину рассеяния рентгеновских лучей, характерную для молекулярной структуры мембраны.
«В картине рассеяния мы можем идентифицировать мотивы молекулярной упаковки: как соседние молекулы в полимере расположены по отношению друг к другу. Один из них - параллельный мотив, а второй - перпендикулярный мотив», - сказал Окко. «Хотя оба мотива упаковки присутствуют, мотив перпендикулярной упаковки лучше коррелирует с оптимальными фильтрующими свойствами».
Сяо добавил: «Наши результаты также показывают, что молекулярная структура преимущественно ориентирована по отношению к поверхности мембраны. Это довольно интригующе и может быть связано с тем, как ориентированы водные пути в мембране».
Совсем недавно группа ученых приступила к изучению мембран обратного осмоса, которые производятся для коммерческих систем очистки воды. Химические вещества, используемые для изготовления этих мембран, такие же, как те, которые использовались для изготовления мембранных пленок на границе раздела масло/вода.
«Коммерческие процессы защищены корпоративной коммерческой тайной, а точные условия производства неизвестны», - сказал Око. «Несмотря на это, наши результаты показывают, что коммерческие мембраны демонстрируют сходные структурные свойства с модельными мембранами, приготовленными в нашей лаборатории на границе раздела масло/вода, включая параллельные и перпендикулярные мотивы и преимущественную молекулярную ориентацию».
Изучая многие мембранные материалы и сравнивая их структурные свойства, определяемые с помощью рентгеновских лучей, с их фильтрующими характеристиками, ученые рассчитывают разработать подробную взаимосвязь между структурой и функцией.
«Мы надеемся, что это поможет в разработке более энергоэффективных мембран для будущих поколений систем фильтрации воды», - сказал Сяо.