Опреснение или деминерализация воды является жизненно важным фактором для более 300 миллионов человек во всем мире, и это число, вероятно, будет расти по мере того, как запасы пресной воды будут высыхать во многих регионах из-за опустынивания, урбанизации и климатических изменений. Команда исследователей из Коннектикутского университета разработала новый тип мембраны для опреснения воды. Они использовали подход аддитивного производства (3D-печати), который включает электрораспыление для изготовления ультратонкой, ультра-гладкой полиамидной мембраны. Новый материал менее подвержен загрязнению и должен использовать меньше энергии для проталкивания воды через обратный осмос (процесс пропускания жидкой среды под давлением через полунепроницаемую мембрану с целью удаления части растворённых компонентов и взвешенных загрязнителей).
«Сегодняшние мембраны для обратного осмоса сделаны таким образом, что не позволяют контролировать их свойства», – объясняет Джеффри МакКатчон из Коннектикутского университета. «Наш подход использует «аддитивный» метод, который позволяет контролировать фундаментальные свойства мембраны, такие как толщина и шероховатость, что в настоящее время невозможно при использовании традиционных методов». Обычные мембраны обратного осмоса получают путем межфазной (на границе раздела фаз) полимеризации, которая основана на самоограничивающейся реакции между амином водной фазы и мономерами хлорангидрида органической фазы. Хотя такой способ и позволяет получать чрезвычайно тонкие полиамидные плёнки, которые являются высокоселективными (с высокой избирательностью) и проницаемыми для молекул воды, на протяжении, по меньшей мере, сорока лет остаётся необходимость в создании лучших мембран. Новый подход обеспечивает контроль над толщиной и шероховатостью, что невозможно при использовании обычных методов изготовления.
Стандартные полиамидные мембраны имеют толщину от 100 до 200 нанометров. Новый метод электрораспыления позволяет создать мембрану толщиной всего 15 нм. Шероховатость новых мембран может быть понижена до 2 нм по сравнению с 80 нм для обычных мембран обратного осмоса.
«Наш подход аддитивного производства к изготовлению полиамидных мембран имеет дополнительное преимущество при масштабировании», – добавляет МакКатчон. «Электрораспыление можно масштабировать с относительной легкостью». Исследователи полагают, что такой подход может уменьшить количество химических ресурсов, необходимых для производства, поскольку традиционные химические ванны больше не нужны при таком методе.
«В лаборатории мы используем на 95% меньше химических объёмов при производстве мембран аддитивным методом по сравнению с обычной межфазной полимеризацией», – объясняют исследователи. «Эти преимущества будут увеличены при крупномасштабном производстве мембран и сделают процесс более «зеленым», чем это было в течение последних 40 лет». Команда добавляет, что не только технология опреснения может извлечь выгоду из этого нового подхода к изготовлению мембран. Этот же подход может быть использован для других разделительных мембран, используемых в химической промышленности.
