Инженеры Токийского университета разработали новый тип опреснительной мембраны, которая, как они утверждают, работает быстрее и требует меньшего давления и энергии, чем существующие технологии. Новая мембрана состоит из ряда наноразмерных трубок, облицованных тефлоно-подобным материалом, который отталкивает соли, и позволяет воде проходить с небольшим трением.
Многие регионы мира сталкиваются с нехваткой чистой питьевой воды, и с изменением климата эта проблема будет только усугубляться. Опреснение солоноватой или морской воды жизненно важно, и для выполнения этой работы нет недостатка в креативных устройствах, использующих либо тепло для испарения и повторной конденсации воды, либо мембраны для фильтрации соли и примесей.
Новая система является вариацией последней, но имеет несколько преимуществ по сравнению с другими подобными. Ключевым ингредиентом является фтор, гидрофобный материал, который придает тефлону его знаменитые антипригарные свойства. Однако он используется не только для посуды — покрытия на основе фтора часто используются для труб, чтобы обеспечить плавное беспрепятственное протекание воды.
Новая мембрана содержит стопки наноразмерных фторсодержащих колец, встроенных в липидный слой, непроницаемый для воды. Фтор не только помогает воде проскальзывать через кольца с очень небольшим трением, но и его отрицательный заряд очень кстати отталкивает соли, предотвращая их прохождение.
Команда проверила эту технику, изготовив мембраны с фторсодержащими нанокольцами шириной от 0,9 до 1,9 нанометров, а затем пропустила через них соленую воду. Затем они измерили количество ионов хлора — основного компонента соли — по обе стороны мембраны. И действительно, фторсодержащие кольца фильтровали воду быстрее и эффективнее, с использованием меньшего давления и энергии, чем другие методы опреснения.
Фторсодержащие кольца шириной от 0,9 до 1,9 нанометров позволяют воде проходить с небольшим трением, а отрицательный заряд отталкивает ионы соли. Фото: 2022 Itoh et al.
«Было очень интересно увидеть результаты из первых рук», — сказал Йошимицу Ито, ведущий автор исследования. «Меньшие из наших тестовых каналов в совершенстве отбрасывали поступающие молекулы соли, и более крупные каналы также были лучше других методов опреснения и даже передовых фильтров из углеродных нанотрубок. Настоящим сюрпризом для меня было то, как быстро происходил процесс. Наш образец работал примерно в несколько тысяч раз быстрее, чем типичные промышленные устройства, и примерно в 2400 раз быстрее, чем экспериментальные опреснительные устройства на основе углеродных нанотрубок».
В качестве отступления: слово «тефлон» может сразу же вызвать тревогу у некоторых людей в отношении проблем со здоровьем, но фтор не является опасным химическим веществом в этом отношении.
Команда планирует провести дальнейшие исследования по снижению количества энергии, необходимой для изготовления мембран с фторсодержащими нанокольцами, с прицелом на увеличение размеров мембран, начиная с тестовой мембраны шириной 1 м в ближайшие несколько лет.
Исследование опубликовано в журнале Science.
Источник: University of Tokyo.
