В ответ на растущую нехватку воды ведущий исследователь Аргоннской национальной лаборатории Сет Дарлинг описывает самые передовые исследовательские инновации, которые могут решить глобальную доступность чистой воды. Его всеобъемлющая статья посвящена пониманию и контролю взаимодействия между материалами и водой.
Интерфейсы определяют производительность таких технологий, как датчики качества воды, фильтрационные мембраны и даже трубы. Собственные лаборатории Дарлинга работают над адсорбентами для усовершенствования очистки воды. Он представил свои выводы на этой неделе в Журнале прикладной физики издательства AIP.
Адсорбенты
Адсорбция - один из лучших механизмов очистки воды. В этом процессе загрязняющие вещества прилипают к поверхности пористых материалов, чтобы максимизировать отношение поверхности к объему.
Высокопористый активированный уголь является наиболее широко используемым, потому что он широко распространен и недорог. Цеолиты могут улавливать целые молекулы в своих трехмерных кристаллических каркасных структурах, что позволяет им избирательно связывать определенные соединения из растворов на водной основе. Сорбенты на полимерной основе обладают почти безграничной гибкостью конструкции.
«Мы будем и впредь полагаться на эти проверенные технологии», - сказал Дарлинг. «Но существует также острая потребность в более эффективных и энергоэффективных сорбентах».
Повторное использование
Возможность повторного использования является критическим показателем для сорбирующих материалов, который может заметно снизить затраты и повысить устойчивость процесса очистки. Губки из полимерной пены являются многообещающими кандидатами для этого подхода.
Дарлинг возглавляет группу, которая создала губку Oleo, которая может впитывать в 90 раз больше своего веса нефти во всей толще воды. Чтобы создать Oleo Sponge, исследователи применили технику, называемую последовательным инфильтрационным синтезом (SIS). Используя SIS, они вырастили оксид металла в волокнах пенопласта, чтобы превратить обычный пенополиуретан, который используется в подушках сидений, в поглотитель масла..
Оксид служит «клеем», к которому прикрепляются маслолюбивые (олеофильные) молекулы. Многоразовое масло извлекается из губки, поэтому его можно использовать повторно.
Обращение к отдельным загрязнителям
Исследователи также разрабатывают сорбенты нового поколения, обладающие более высокой специфичностью - большей связывающей способностью по отношению к отдельным загрязнителям. В идеале исследователи могли бы адаптировать межфазные свойства для адсорбции определенных молекул для улавливания сложных загрязнителей воды, таких как питательные вещества и тяжелые металлы.
Исследователи в настоящее время изучают, как перепрофилировать металлоорганические каркасы (MOF), материал, который уже используется в газовой сорбции, для этой цели. Связанные с цеолитами, MOF состоят из ионов металлов или кластеров, связанных органическими лигандами. MOF имеют большую площадь поверхности, контролируемую структуру и регулируемые поры.
"У нас есть водный кризис, который основан на росте населения, урбанизации и нарушении климата. И есть неустойчивое использование нашей воды", сказал Дарлинг. «Частично решить эту проблему можно с помощью политических решений, но нам также нужны новые, более энергоэффективные и экономичные технологии».