Мембраны из графена могут творить чудеса
Британские ученые создали первый в мире фильтр для опреснения морской воды, используя специальное “решето” из графена, пропускающее молекулы воды, но задерживающее ионы натрия, хлора и другие компоненты солей.
Это изобретение может помочь миллионам людей по всему миру, испытывающим проблемы с доступом к чистой питьевой воде.
Сейчас новый фильтр проходит испытания – его сравнивают с уже существующими мембранами для опреснения воды.
До последнего времени производить графеновые “сита” на промышленной основе было крайне затруднительно.
Результаты исследования команды ученых Манчестерского университета под руководством доктора Рахула Найра были опубликованы в журнале Nature Nanotechnology: физики заявляют, что им удалось разрешить многие практические проблемы производства при помощи производного вещества, оксида графена.
Графен является двумерной аллотропной модификацией углерода – это слой вещества толщиной в один атом, соединенный посредством σ- и π-связей в гексагональную двумерную кристаллическую решетку.
Графен был открыт группой исследователей из Манчестерского университета; это один из самых легких и жестких материалов с необычными свойствами теплопроводности.
Однако до сих пор возникали трудности с производством однослойного графена – как с технической, так и финансовой точки зрения.
Однако, как говорит доктор Найр, оксид графена можно с легкостью производить при помощи простого процесса окисления в лаборатории, а затем его можно нанести на пористый материал – и использовать полученный результат как фильтр.
У миллионов людей по всему миру нет регулярного доступа к питьевой воде
Проблема любого фильтра, по его словам, состоит в том, что в нем необходимо “просверливать” крошечные отверстия.
“Но если диаметр отверстия окажется больше одного нанометра, соли морской воды проникнут через него, – поясняет он. – Так что, чтобы сделать мембрану пригодной для опреснения, она должна быть пронизана совершенно одинаковыми отверстиями размером меньше нанометра, а это очень сложная задача”.
Мембраны из оксида графена уже были испытаны для фильтрации наночастиц, органических молекул и даже крупных солей. Но до сих пор они были непригодны для очищения воды от обычной соли, так как для этого отверстия в “сите” должны быть еще меньше.
До сих пор проблема состояла в том, что пленки оксида графена немного разбухают при намачивании – и начинают пропускать не только воду, но и ионы магния, натрия и ряда других веществ. Найр и его коллеги решили эту проблему, научившись склеивать одиночные полоски из оксида графена при помощи обычной эпоксидной смолы – таким образом, они почти не разбухают при контакте с водой.
Этот метод заодно позволил ученым “настраивать” свойства мембраны – так, чтобы она пропускала больше или меньше соли.
При растворении обычных солей в воде, вокруг каждой молекулы соли образуется своеобразная оболочка из молекул воды.
Это позволяет капиллярам мембран из оксида графена пропускать вону, отсеивая морскую соль.
“Молекулы воды могут пройти через мембрану по одной, но молекулы хлорида натрия этого сделать не могут – для этого они должны быть окружены водой, а вместе с водяной оболочкой молекула соли оказывается больше, чем диаметр капилляра”, – объясняет доктор Найр.
Теперь ученые должны сравнить, насколько хорошо новый фильтр работает по сравнению с материалами, уже существующими на рынке
Кроме того, молекулы воды проникают через мембрану с большой скоростью, что делает это изобретение идеальным для опреснения морской воды.
“Диаметр капилляра достигает около одного нанометра, что почти соответствует размеру молекулы воды, а это, в свою очередь, приводит к цепной реакции: одна молекула тянет за собой другую, и они проходят через мембрану наподобие поезда”, – объясняет Рахул Найр.
“За счет этого вода движется быстрее: если увеличить давление с одной стороны, то все молекулы быстро перетекут на другую за счет водородной связи между ними. Но это происходит только в том случае, если диаметр тоннеля очень мал”, – добавляет он.
По оценкам ООН, к 2025 году более 14% населения Земли будут испытывать нехватку в питьевой воде. Многие страны уже строят большие установки по опреснению воды.
В настоящий момент подобные установки используют мембраны из полимеров.
“Мы продемонстрировали, что можем контролировать размеры пор мембраны и за счет этого опреснять воду, что еще недавно было невозможным. Теперь мы должны изучить, как наш фильтр работает по сравнению с лучшими материалами, уже существующими на рынке”, – продолжает доктор Найр.
Рам Деванатан из Тихоокеанской Северо-Западной национальной лаборатории США, говорит, что необходимо проверить новые фильтры и на предмет срока службы – выдержат ли они длительный контакт с морской водой, – а также выяснить, как они будут реагировать на загрязнения воды биологическими веществами.