Loading

Современный подход к обессоливанию воды - фильтр из нанопористого графена

Создано 08.07.2012 11:23
Автор: NataKon

Современный подход к обессоливанию воды - фильтр из нанопористого графена толщиной в атом (

Моря и океаны – основной источник воды на Земле: в них содержится 97% водных запасов нашей планеты. Но лишь малая доля этих ресурсов, проходя процесс обессоливания, используется людьми для питья. Технологии превращения соленой воды в пресную все еще далеки от совершенства – им явно недостает таких немаловажных качеств, как энергоэффективность и дешевизна.

В своем новом исследовании ученые Массачусетского технологического института (MIT) на примере модели показали, что нанопористый графен способен отфильтровывать соль из воды со скоростью, в 2-3 раза превосходящей аналогичный показатель лучшей из существующих промышленных технологий обессоливания – обратного осмоса. По их прогнозам, повышенная пропускная способность графена даст возможность сократить расход энергии и уменьшить размеры устройств для обессоливания. Степень усовершенствования будет зависеть от того, насколько мы сумеем развить технологии производства и обработки графена.

Исследование, посвященное обессоливанию воды с использованием однослойного нанопористого графена, было опубликовано в недавнем выпуске журнала Nano Letters.

Нужно отметить, что использование нанопористых материалов для получения питьевой воды уже привлекало интерес ученых. В отличие от обратного осмоса, где молекулы воды (но не ионы соли) под большим давлением продавливаются через пористый фильтр, нанопористые материалы обеспечивают быструю фильтрацию через явно выраженные полости при более низком давлении. Однако нанопористый графен в качестве фильтра рассматривался впервые. Графеновая мембрана толщиной в один атом, несомненно, облегчит процесс обессоливания, поскольку ее толщина напрямую связана со скоростью пропускания воды.

Коэффициент фильтрации разных технологий обессоливания - иллюстрация превосходства фильтрации сквозь нанопористый графеновый фильтр перед традиционным обратным осмосом (с) 2012 American Chemical Society

Прибегнув к классическому моделированию динамики молекул, ученые MIT – Девид Кохен-Танги (David Cohen-Tanugi) и Джеффри Гроссман (Jeffrey C. Grossman) – изучили водопроницаемость нанопористого графена с разным диаметром (0,015-0,62 нм2) и химическим составом пор. Как показали проведенные эксперименты, нанопоры в графене могут проделываться разными способами, включая просверливание пучком ионов гелия и химическое травление. В ходе моделирования ученые укрепляли нанопоры пассивированием (химический процесс создания защитной окисной плёнки на поверхности материала), или экранированием, каждого атома углерода по краю поры атомами водорода либо гидроксильной группы. После они сравнили два химических состава (в сочетании с разными размерами пор) графеновых фильтров, пропустив через них морскую воду с соленостью 72 г/л, что в два раза превышает среднюю соленость морской воды (около 35 г/л).

Оказалось, что, хотя самые крупные нанопоры пропускают воду быстрее всего, вместе с ней они пропускают и часть ионов соли. Моделирование позволило определить промежуточный диапазон диаметров нанопор, обеспечивающих прохождение воды и удерживание соли.

Кроме того, обнаружилось, что гидроксилирование графена существенно повышает его водопроницаемость (благодаря гидрофильным свойствам гидроксильных групп). Поскольку гидрогенизированные поры, напротив, гидрофобны, молекулы воды могут проходить через них только в виде ограниченного числа высокоупорядоченных конфигураций. В то же время гидрофильные группы допускают наличие большего разнообразия конфигураций водородной связи (молекул воды) в порах, и отсутствие ограничений усиливает пропускную способность фильтра.

Гидрогенизованные (слева) и гидроксилированные (справа) поры графенового фильтра. Снизу - фильтрация воды через нанопористый графен с удалением ионов соли (с) 2012 American Chemical Society

В целом, ученые выяснили, что нанопористый графен теоретически может превзойти системы обратного осмоса по способности пропускать воду, выраженной в литрах отфильтрованной воды на квадратный сантиметр площади мембраны в день и на единицу приложенного давления. В то время как коэффициент фильтрации обратного осмоса составляет несколько десятых, для нанопористого графена по результатам моделирования он составляет от 39 до 66 для конфигураций пор, обеспечивающих полное отторжение соли (0,231 нм2 для гидрогенизированных пор, 0,163 нм2 для гидроксилированных пор). Графеновый фильтр с крупнейшими гидроксилированными порами давал коэффициент фильтрации 129, но частично пропускал ионы соли.

Как объясняют ученые, активное использование нанопористого графена для обессоливания требует решения двух задач – достижения равномерного распределения размера пор (что вскоре может стать реальным) и механической стойкости фильтра под давлением (может решаться применением тонкопленочного распределительного слоя, какой применяется в технологии обратного осмоса).

«Сейчас мы изучаем ряд потенциально новых способов создания мембран для обессоливания и очистки воды», - подводит итог Гроссман. – «А также экспериментально производим нанопористые фильтры и надеемся проверить их в деле в ближайшие месяцы».

Источник: phys.org

Author: NataKon

Комментарии: