Исследование, проведенное Туринским политехническим университетом (Италия) в тесном сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (США) и опубликованное в журнале Nature Communications, демонстрирует инновационный способ улучшения характеристик опреснительных мембран. В будущем мембраны для обратного осмоса, изготовленные по этим новым критериям, смогут опреснять морскую воду со значительно меньшими затратами
Опреснение морской воды с меньшими затратами: такова амбициозная цель исследования группы инженеров Департамента энергетики Туринского политехнического университета (Турин, Италия) в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом (MIT). (Кембридж, США) и Университет Миннесоты (Миннеаполис, США). Журнал Nature Communications недавно опубликовал результаты этого исследования, тем самым открыв новый путь в развитии технологий мембранных процессов опреснения, которые могли бы обеспечить инновационные решения текущей проблемы нехватки воды в ряде стран.
Морскую воду можно опреснить и сделать пригодной для питья с помощью мембраны, а именно «сито», способного отделять молекулы воды от ионов растворенных солей. Энергия, необходимая для этого процесса разделения, может обеспечиваться источниками тепла, электромагнитным полем или гидравлическим давлением. В частности, исследования, представленные итальянскими и американскими институтами, были сосредоточены на процессе опреснения с помощью обратного осмоса, который основан на способности некоторых пористых материалов - под давлением, превышающим осмотическое, - пропускать только молекулы воды, в то время как отвергая ионы соли.
Этот процесс можно лучше изобразить как серию транспортных средств, стоящих в очереди у пунктов взимания платы за въезд на шоссе.«Предположим, что мотоциклы - это молекулы воды, а автомобили - это растворенные ионы соли, и что оба они терпеливо стоят в очереди у пункта взимания платы», - иллюстрируют исследователи Политехнического университета. «Теперь представим, что проем пункта взимания платы имеет ширину всего один метр: мотоциклы смогли бы легко преодолеть барьер и таким образом выехать на трассу, а автомобили были бы вынуждены свернуть с курса. Точно так же мембраны для обратного осмоса позволяют транспорту молекул воды, блокируя при этом растворенные соли. Поэтому эффективные мембраны характеризуются большими скоростями переноса воды при фиксированных затратах энергии и эффективной поверхности, а именно высокой проницаемостью."
Исследователи из Туринского политехнического университета, Массачусетского технологического института и Миннесотского университета, однако, сделали еще один шаг вперед, впервые сумев понять механизмы, регулирующие перенос воды с одной стороны (соленая вода) на другие (пресная вода) мембраны. Фактически, исследовательская лаборатория Массачусетского технологического института экспериментально измерила коэффициент диффузии проникшей воды, а именно подвижность молекул воды при пересечении мембраны. Эти мембраны изготовлены из цеолита, материала, характеризующегося густой (и упорядоченной) сетью пор субнанометрового диаметра (менее миллиардной доли метра). Однако экспериментальный коэффициент диффузии воды оказывается почти в миллион раз ниже ожидаемого с помощью моделирования и теоретического анализа, измеренного исследователями из Туринского политехнического университета. Головоломка, которая потребовала более двух лет работы между Турином и Бостоном благодаря совместной исследовательской программе MITOR, финансируемой Compagnia di San Paolo.
Исследователи затем объясняют, что: «В то время как предыдущие исследования в основном были сосредоточены на транспортном процессе внутри мембраны, мы переключили внимание на то, что происходило на поверхности, где действительно можно было найти решение головоломки». Фактически перенос воды через мембрану определяется рядом двух явлений: во-первых, молекулы воды должны найти открытую пору (поверхностное сопротивление переносу); затем они могут проникать и диффундировать внутри мембраны (объемное сопротивление транспорту), в конечном итоге просачиваясь с другой стороны мембраны.«Возвращаясь к предыдущему сравнению, добавление дополнительных полос на шоссе может оказаться недостаточной стратегией для ускорения движения мотоциклистов по шоссе. Фактически, мы также должны обеспечить наличие достаточного количества открытых пунктов взимания платы, чтобы избежать пробки на въезде (и съезде) с трассы», - отмечают исследователи.
Таким образом, ученые показали, что разница в несколько порядков между теоретическими и экспериментальными значениями проницаемости мембран обусловлена сопротивлением переносу воды, которое оказывает поверхность мембран. Это сопротивление связано с современными технологиями изготовления цеолитовых мембран, которые вызывают закрытие более 99,9% доступных устьев пор. Другими словами, молекулы воды могут проникать через минимальную долю (одну на тысячу) отверстий поверхностных пор: это вызывает эффект узкого места, который замедляет общий транспорт воды через мембрану и, таким образом, резко снижает проницаемость мембраны. После более чем двух лет компьютерного моделирования и экспериментов Маттео Фазано, Алессио Бевилаква, Элиодоро Кьяваццо, Пьетро Асинари (лаборатория многомасштабного моделирования, Департамент энергетики Туринского политехнического университета), Томас Хамплик, Эвелин Ван (лаборатория исследований устройств, Массачусетский технологический институт)) и Майкл Цапацис (Исследовательская группа Цапациса, Миннесотский университет) раскрыли этот механизм и предложили точную физическую модель общего процесса проникновения воды.
Эти результаты ясно указывают на то, что опреснительные мембраны следующего поколения с улучшенными характеристиками могут быть получены с помощью производственных технологий, позволяющих снизить поверхностное сопротивление транспорту, а именно открыть большую часть поверхностных пор. Исследователи подсчитали, что мембраны, изготовленные в соответствии с этими критериями, могут достичь проницаемости в 10 раз выше, чем существующие, что снижает эксплуатационные расходы в процессах опреснения. Это новое понимание явления поверхностного и объемного переноса также открывает новые возможности в других областях применения нанопористых материалов: от технологий устойчивой энергетики (например, аккумулирование тепла) до удаления загрязняющих веществ из воды (например, молекулярные сита) и т.д. к наномедицине (например, доставка лекарств).