Ученые разработали новый тип сверхточной фильтрационной мембраны, которая может изменить подход к очистке воды и промышленному разделению веществ.
Над проектом работали исследователи из CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute, Индийского технологического института Гандинагара, Наньянского технологического университета в Сингапуре и S N Bose National Centre for Basic Sciences. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.
Главная идея технологии — крошечные стабильные отверстия шириной около одного нанометра. Это в тысячи раз тоньше человеческого волоса.
Почему это важно
Многие отрасли промышленности постоянно разделяют разные вещества. Это нужно для очистки лекарств, обработки текстильных красителей, производства еды и других процессов.
Но такие операции требуют огромного количества энергии. На них приходится примерно 40–50% мирового промышленного энергопотребления.
Сегодня многие предприятия по-прежнему используют дистилляцию и испарение. Эти методы работают, но требуют много энергии и заметно влияют на выбросы углерода.
Мембранная фильтрация считается более чистой альтернативой. Проблема в том, что обычные полимерные мембраны часто имеют поры разного размера. Со временем эти поры могут менять форму или разрушаться, и фильтр начинает работать хуже.
Мембраны, вдохновленные природой
Чтобы решить эту проблему, ученые создали новый класс кристаллических мембран. Их назвали POMbranes.
Эти мембраны вдохновлены биологическими системами, например аквапоринами — природными каналами, которые точно регулируют движение молекул.
Для новой технологии исследователи использовали полиоксометалатные кластеры, или POM. В каждом таком кластере есть стабильное отверстие шириной ровно один нанометр.
По словам исследователей, эти кластеры похожи на маленькие металлические «короны» с идеальным отверстием в центре. В отличие от традиционных пластиковых фильтров, это отверстие не меняет форму и не исчезает.
Как сделали молекулярное сито
Одной идеи было недостаточно. Чтобы получить рабочую мембрану, нужно было собрать миллиарды таких крошечных кольцевых структур в сплошной слой без дефектов.
Для этого ученые прикрепили к POM-кластерам гибкие химические цепочки.
Когда измененные кластеры помещали на воду, они сами распределялись и собирались в большую сверхтонкую пленку. Меняя длину этих цепочек, команда могла управлять тем, насколько плотно кластеры располагаются друг к другу.
В результате молекулы были вынуждены проходить через мембрану только одним путем — через нанометровые отверстия внутри каждого кластера. Так мембрана начинала работать как высокоточное сито.
Почти в десять раз лучше
Испытания показали, что новые мембраны могут различать молекулы, которые отличаются всего на 100–200 дальтон. Для обычных полимерных мембран такой уровень точности крайне сложен.
По словам ученых, POMbranes показали почти в десять раз лучшую эффективность разделения по сравнению с существующими технологиями.
При этом они остаются гибкими, стабильными при разных уровнях кислотности и могут производиться большими листами. Это особенно важно, если технологию хотят использовать в промышленности.
Польза для текстиля и переработки воды
Новая технология может быть особенно полезна для текстильной и фармацевтической промышленности Индии.
Текстильный и швейный сектор страны дает более 2,3% ВВП и около 13% промышленного производства. Внутренний рынок сейчас оценивается в 160–225 миллиардов долларов и, как ожидается, может вырасти до 250–350 миллиардов долларов к 2030 году.
Проблема в том, что окрашивание и отделка тканей создают много загрязненных сточных вод. Удаление красителей и повторное использование воды остаются серьезной задачей.
Новые мембраны могут выборочно удалять молекулы красителей и при этом позволять повторно использовать воду. Это снижает потребность в пресной воде и уменьшает количество химических отходов.
Что это может дать фармацевтике
В производстве лекарств точное разделение веществ особенно важно. От этого зависит качество продукции и эффективность производства.
Процессы вроде очистки препаратов и восстановления растворителей требуют много энергии и высокой точности. Такие селективные мембраны могут снизить энергопотребление, сохранив строгие требования фармацевтического производства.
Технология для более устойчивой промышленности
Исследователи называют POMbranes универсальной платформенной технологией.
Их структура может настраиваться, они обладают высокой избирательностью и выдерживают жесткие химические условия. Поэтому такие мембраны могут пригодиться в разных задачах — от очистки сточных вод до сложного химического производства.
Главная сила разработки в том, что она переносит принцип из природы в промышленную технологию: точный контроль на молекулярном уровне.
Если промышленность ищет способы снизить энергозатраты, повысить эффективность и повторно использовать больше воды, такие мембраны могут стать важной частью производства нового поколения.
