Нові мембрани можуть видаляти сіль з води.
Команда під керівництвом Науково-технологічного університету короля Абдулли (KAUST) показала, як ультратонкі впорядковані мембрани на основі полімерів можуть ефективно видаляти сіль із розсолу та морської води, пропонуючи потенційну альтернативу існуючим системам опріснення.
«Мембрани для опріснення води повинні одночасно демонструвати високу швидкість опріснення води та високий рівень усунення солі», — каже Юй Хан, керівник дослідження. Передбачається, що вуглецеві наноматеріали, такі як вуглецеві нанотрубки та графен, відповідатимуть цим вимогам завдяки своїй унікальній поверхні та схильності накопичуватися в канали діаметром менше одного нанометра. Однак проблеми з вирівнюванням каналів і стекуванням перешкоджають їх широкомасштабному використанню в мембранах.
Дослідники KAUST розробили мембрану з чудовою ефективністю опріснення води в конфігураціях прямого та зворотного осмосу.
«Один із способів подолання цих обмежень — двовимірні пористі вуглецеві мембрани з регулярними й рівномірно розподіленими молекулярними транспортними каналами субнанометрового розміру», — каже перший автор Цзе Шень, постдок в групі Хана. Однак ці мембрани зазвичай синтезуються в розчині, що сприяє випадковому зростанню невпорядкованої тривимірної структури з погано визначеними мікропорами.
Використовуючи хімічне осадження з парової фази, Ю Хан, Вінсент Тунг, Інго Піннау та Ленс Лі, колишній дослідник KAUST, який зараз працює в Університеті Гонконгу, розробили метод, який допомагає контролювати ріст двовимірних кон’югованих полімерних каркасів в ультратонкі вуглецеві плівки.
Вчений-дослідник Ічен Цай і його команда зараз працюють над покращенням властивостей механічної міцності та хімічної стабільності мембрани для майбутніх практичних застосувань.
Дослідники нанесли мономер триетинілбензол на атомарно плоскі монокристалічні мідні підкладки в присутності органічної основи, яка діє як каталізатор. Триетинілбензол містить три реакційноздатні групи, які служать опорними точками для додаткових мономерів. Ці групи утворюють кут 120 градусів відносно одна одної, створюючи організовані масиви чітко визначених циклічних структур, які складаються в ромбічні гідрофобні канали субнанометрового розміру.
Мембрана продемонструвала чудову ефективність опріснення води в конфігураціях прямого та зворотного осмосу, перевершуючи ті, що містять передові матеріали, такі як вуглецеві нанотрубки та графен.
Postdoc Jie Shen був першим автором статті, опублікованої в Nature Materials.
Дослідники виявили, що молекули води утворюють тривимірну структуру всередині мембрани, а не рухаються крізь мембрану по вертикальних трикутних каналах як одновимірні ланцюжки. Цим пояснюється швидкий рух води через мембрану. «Цей несподіваний результат показав, що, здавалося б, дискретні вертикальні канали насправді з’єднані між собою короткими горизонтальними каналами, які можна легко не помітити в спроектованій структурній моделі», — говорить Хан.
Команда зараз працює над покращенням властивості проти обростання, механічної міцності та хімічної стабільності мембрани для майбутнього практичного застосування. Також точно налаштовують його властивості поверхневого заряду та розміри каналів. «Наша кінцева мета — створити універсальну багатофункціональну платформу, яка відповідає потребам різноманітних додатків, таких як іонне просіювання, визначення однієї молекули та нейроінтерфейси», — говорить Хан.
Першоджерела:
https://scitechdaily.com/a-new-better-way-to-desalinate-wat
“Fast water transport and molecular sieving through ultrathin ordered conjugated-polymer-framework membranes” by Jie Shen, Yichen Cai, Chenhui Zhang, Wan Wei, Cailing Chen, Lingmei Liu, Kuiwei Yang, Yinchang Ma, Yingge Wang, Chien-Chih Tseng, Jui-Han Fu, Xinglong Dong, Jiaqiang Li, Xi-Xiang Zhang, Lain-Jong Li, Jianwen Jiang, Ingo Pinnau, Vincent Tung, and Yu Han, 8 August 2022, Nature Materials.
DOI: 10.1038/s41563-022-01325-y