Мембранные технологии могут обеспечить эффективную очистку загрязненных источников воды для решения проблемы растущего дефицита воды. Однако, когда инженеры разрабатывают самые современные мембраны, они сталкиваются с недостатком селективности по сравнению с высокой проницаемостью. Современные мембраны также плохо удаляют низкомолекулярные нейтральные растворенные вещества и подвержены разрушению из-за окислителей, присущих обработке воды.
В новом отчете, опубликованном в журнале Science Advances, Дуонг Нгуен и исследовательская группа в области экологической и архитектурной инженерии, химической и биологической инженерии в Университете Колорадо и Университете Британской Колумбии в США и Канаде разработали метод опреснения воды с использованием приложенного давления для обеспечения переноса пара через мембраны.
Не жертвуя удалением солей, команда разработала мембраны со слоем толщиной менее 200 нм, чтобы обеспечить водопроницаемость, превышающую показатели коммерческих мембран, с чувствительностью к окислителям хлора и озона. Полученные результаты привели к усовершенствованной характеристике процесса испарения для высокопроизводительной ультраселективной фильтрации.
Опреснение воды
Изменение климата и растущий спрос на воду привели к нехватке ресурсов, что обусловило необходимость использования нетрадиционных источников воды. Чтобы безопасно использовать источник, исследователи должны удалить из загрязненной воды почти все растворенные компоненты. Для достижения этой цели было разработано несколько методов повторного использования и опреснения воды, таких как обратный осмос. В этой работе Нгуен и его коллеги представили концептуальный метод, позволяющий использовать дистилляцию под давлением путем улавливания воздуха гидрофобной мембраной.
Приложенное давление приводило к испарению внутри системы для газофазной диффузии через поры. Ученые-материаловеды разработали нанопористые мембраны толщиной менее 200 нм для улучшения транспортировки зонда и опреснения воды. Такая конструкция позволяла сохранять эффективность опреснения даже при воздействии на мембраны дезинфицирующих средств с хлором и озоном.
Разработка наноразмерных воздушных зазоров для дистилляции под давлением
Исследователи использовали воздухоулавливающие мембраны в качестве доказательства концепции для тестирования пористых подложек из анодного оксида алюминия, модифицированных гидрофобным покрытием. Команда ограничила нанесение покрытия субмикронным слоем на верхнюю поверхность мембраны, используя маскировку, металлические брызги и гидрофобное покрытие фторированным алкилсиланом. Исследователи и инженеры-строители ранее не использовали воздухоулавливающие мембраны в системах, работающих под давлением, поскольку жидкость-вода — может проникать в поры, нарушая водно-солевую селективность мембраны.
Размер пор мембраны менее 100 нм препятствовал смачиванию при высоких гидравлических давлениях. Долгосрочные эксперименты, проведенные в течение семи дней, показали, что выведение солей из мембран может поддерживаться стабильно. Команда уменьшила размеры пор мембраны, чтобы она функционировала при гидравлическом давлении без смачивания пор. Эти конструкции сохраняли размеры пор, подходящие для обработки морской воды.
Достижение водопроницаемости и выведение солей
Существующие современные мембраны представляют собой компромисс между водопроницаемостью и селективностью по отношению к воде и соли, в результате чего увеличение водопроницаемости приводит к снижению отторжения соли. В этой работе команда отметила, как переход газожидкостной фазы может увеличить водопроницаемость без ущерба для водно-солевой селективности за счет уменьшения толщины воздушного слоя.
Благодаря этой особенности водопроницаемость мембран была заметно выше, чем в предыдущей работе. Ученые превзошли ожидания этого исследования, когда представили экспериментальные доказательства возможностей воздухоулавливающих мембран достигать водопроницаемости, подходящей для эффективного опреснения воды.
Удаление растворенных веществ и химическая стойкость
Исследовательская группа использовала слой пара в качестве разделительного барьера с различными селективными свойствами в отличие от использования тонкой полимерной пленки. Используя эту мембрану, они протестировали удаление трех загрязняющих веществ, включая бор, мочевину и NDMA. Мембраны обеспечили удаление бора и мочевины на 99,1% и 98,1% соответственно, что свидетельствует о почти полном удалении обоих растворенных веществ. Результаты отличались от результатов использования коммерческих мембран, которые демонстрировали существенно сниженный уровень фильтрации.
Улучшенные результаты были достигнуты благодаря воздушному слою, который образовывал почти непроницаемую фильтрующую мембрану для нелетучих растворенных веществ. Воздушный слой позволил Нгуену и его коллегам использовать стойкие к окислению гидрофобные мембранные материалы. Интересно, что ученые подтвердили неизменность структуры и химического состава разработанных мембран после того, как подвергли их сканирующей электронной микроскопии и анализу угла смачивания.
Прогноз
Таким образом, Дуонг Нгуен и его коллеги использовали процесс дистилляции под давлением для очистки воды с приложенным давлением, используемым для пропускания пара через воздухоулавливающую мембрану. Используя эксперименты, подтверждающие концепцию, ученые добились более высоких уровней фильтрации нелетучих растворенных веществ, включая хлорид натрия, бор и мочевину. Эксплуатационные характеристики материала оставались неизменными при длительном воздействии высоких концентраций хлора и озона.
В этой работе излагаются фундаментальные принципы методов дистилляции под давлением, хотя в знаниях о лежащем в основе процесса выпаривания все еще существуют пробелы. Эти мембраны обеспечивают платформу для широкого изучения явлений испарения на границе раздела воздух-мембрана.