Российские ученые создали инновационную мембрану с улучшенными характеристиками
Группа российских исследователей совершила значительный прорыв в области водоочистки, разработав инновационные полимерные мембраны с добавлением ионов меди, цинка и хрома. Впервые такие материалы нашли применение в процессе электродиализной очистки воды. Особенно впечатляющие результаты показали медьсодержащие мембраны, достигнув беспрецедентных показателей селективности при фильтрации однозарядных ионов.
Инновационный метод электродиализа представляет собой экологически чистый способ очищения воды, при котором загрязнения удаляются без применения химических веществ — исключительно за счет перемещения ионов через мембрану под воздействием электрического поля. Ключевым фактором эффективности процесса выступает селективность мембраны – ее способность дифференцированно пропускать различные ионы. Традиционно полимерные мембраны демонстрируют повышенную проницаемость для многозарядных ионов (например, сульфатов) по сравнению с однозарядными (такими как нитраты). Это приводит к образованию нежелательных отложений на поверхности мембраны, снижающих эффективность всей системы очистки.
Современные мембранные технологии базируются на использовании полимерных материалов со специальными каналами, имеющими заряженные стенки для селективного пропускания ионов. В классическом варианте полимер представляет собой углеродную цепочку с прочно присоединенными функциональными группами, являющимися неотъемлемой частью его структуры.
Специалисты НИУ ВШЭ разработали революционный метод усовершенствования селективных свойств полимерных мембран. В качестве основы они взяли полибензимидазол (PBI), который обогатили ионами меди, цинка и хрома. Инновационный подход заключается в соединении металлов с азотными атомами полимера посредством координационных связей, отличающихся удивительной гибкостью — их можно как легко создавать, так и разрушать. Благодаря этому свойству появилась возможность точной настройки характеристик материала под конкретные задачи.
Андрей Манин, ведущий исследователь из лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН, проводит наглядную аналогию: «Представьте себе гирлянду, где провод – это основная полимерная цепь, а лампочки – функциональные группы. В традиционных мембранах положение лампочек фиксировано, тогда как в нашей разработке они словно парят в пространстве. Мы можем регулировать их количество, варьируя содержание металлических ионов при синтезе, что позволяет точно настраивать свойства мембраны».
Медьсодержащие мембраны продемонстрировали выдающиеся результаты при разделении нитратов и сульфатов. Исследователи выдвигают две гипотезы для объяснения этого феномена. Согласно первой, геометрия ионных каналов в мембране оптимально подходит для прохождения нитратов, в то время как более крупные сульфаты задерживаются. Вторая гипотеза основывается на возможности взаимодействия нитрат-ионов с металлическими ионами в координационной сфере, что способствует их беспрепятственному прохождению через мембрану.
Практические испытания подтвердили не только высокую эффективность медьсодержащих мембран, но и их превосходную стабильность при длительной эксплуатации. Это существенное преимущество по сравнению с цинксодержащими аналогами, страдающими от вымывания ионов металла. Научная группа активно работает над адаптацией технологии для промышленного применения.
По словам Андрея Манина, существует несколько перспективных путей масштабирования разработки. Можно использовать широкодоступный незамещенный полибензимидазол вместо специально синтезированного полимера, либо наносить тонкий слой металлсодержащего полимера на существующие промышленные мембраны. Второй подход особенно привлекателен, так как позволяет улучшить селективность при сохранении исходной проводимости, причем без существенного удорожания производства.
Данная публикация основана на материалах научной статьи.
Источник: www.kommersant.ru
