Современный подход к обессоливанию воды — фильтр из нанопористого графена

Современный подход к обессоливанию воды - фильтр из нанопористого графена

Моря и океаны – главный источник воды на Земле: в них содержится 97% водных запасов отечественной планеты. Но только малая часть этих ресурсов, проходя процесс обессоливания, употребляется людьми для питья. Технологии превращения соленой воды в пресную все еще далеки от совершенства – им очевидно недостает таких важных качеств, как дешевизна и энергоэффективность.

В собственном новом изучении ученые Массачусетского технологического университета (MIT) на примере модели продемонстрировали, что нанопористый графен способен отфильтровывать соль из воды со скоростью, в несколько раз превосходящей подобный показатель лучшей из существующих промышленных разработок обессоливания – обратного осмоса. По их прогнозам, повышенная пропускная свойство графена разрешит возможность сократить расход энергии и снизить размеры устройств для обессоливания. Степень усовершенствования будет зависеть от того, как мы сумеем развить обработки и технологии производства графена.

Изучение, посвященное обессоливанию воды с применением однослойного нанопористого графена, было размещено в недавнем выпуске издания Nano Letters.

Необходимо подчернуть, что применение нанопористых материалов для получения питьевой воды уже завлекало интерес ученых. В отличие от обратного осмоса, где молекулы воды (но не ионы соли) под громадным давлением продавливаются через пористый фильтр, нанопористые материалы снабжают стремительную фильтрацию через очевидно выраженные полости при более низком давлении. Но нанопористый графен в качестве фильтра рассматривался в первый раз.

Графеновая мембрана толщиной в один атом, без сомнений, облегчит процесс обессоливания, потому, что ее толщина напрямую связана со скоростью пропускания воды.

Прибегнув к хорошему моделированию динамики молекул, ученые MIT – Девид Кохен-Танги (аккумуляторная Cohen-Tanugi) и Джеффри Гроссман (Jeffrey C. Grossman) – изучили водопроницаемость нанопористого графена с различным диаметром (0,015-0,62 нм2) и химическим составом пор. Как продемонстрировали совершённые опыты, нанопоры в графене смогут проделываться различными методами, включая просверливание пучком ионов химическое травление и гелия.

На протяжении моделирования ученые усиливали нанопоры пассивированием (химический процесс создания защитной окисной плёнки на поверхности материала), либо экранированием, каждого атома углерода по краю поры атомами водорода или гидроксильной группы. По окончании они сравнили два химических состава (в сочетании с различными размерами пор) графеновых фильтров, пропустив через них морскую воду с соленостью 72 г/л, что вдвое превышает среднюю соленость морской воды (около 35 г/л).

Оказалось, что, не смотря на то, что самые большие нанопоры пропускают воду быстрее всего, вместе с ней они пропускают и часть ионов соли. Моделирование разрешило выяснить промежуточный диапазон диаметров нанопор, снабжающих прохождение удерживание и воды соли.

Помимо этого, обнаружилось, что гидроксилирование графена значительно повышает его водопроницаемость (благодаря гидрофильным особенностям гидроксильных групп). Потому, что гидрогенизированные поры, наоборот, гидрофобны, молекулы воды смогут проходить через них лишь в виде ограниченного числа высокоупорядоченных конфигураций. Одновременно с этим гидрофильные группы допускают наличие большего разнообразия конфигураций водородной связи (молекул воды) в порах, и отсутствие ограничений усиливает пропускную свойство фильтра.

В целом, ученые узнали, что нанопористый графен теоретически может превзойти совокупности обратного осмоса по свойству пропускать воду, выраженной в литрах отфильтрованной воды на квадратный сантиметр площади мембраны в сутки и на единицу приложенного давления. Тогда как коэффициент фильтрации обратного осмоса образовывает пара десятых, для нанопористого графена по итогам моделирования он образовывает от 39 до 66 для конфигураций пор, снабжающих полное отторжение соли (0,231 нм2 для гидрогенизированных пор, 0,163 нм2 для гидроксилированных пор). Графеновый фильтр с наибольшими гидроксилированными порами давал коэффициент фильтрации 129, но частично пропускал ионы соли.

Как растолковывают ученые, активное применение нанопористого графена для обессоливания требует решения двух задач – успехи равномерного распределения размера пор (что скоро может стать настоящим) и механической стойкости фильтра под давлением (может решаться применением тонкопленочного распределительного слоя, какой используется в технологии обратного осмоса).

«на данный момент мы изучаем последовательность возможно новых способов создания мембран для обессоливания и очистки воды», — подводит результат Гроссман. – «И экспериментально производим нанопористые фильтры и сохраняем надежду проверить их в деле в ближайшее время».

Источник: phys.org

Графеновый фильтр CSIRO GraphAir


Темы которые будут Вам интересны:

Читайте также: