Научные специалисты Высшей инженерной школы Токийского университета разработали новый тип фильтра, основой которого служат фторсодержащие наноструктуры, способные опреснять морскую воду в несколько тысяч раз быстрее, чем используемые в настоящее время углеродные нанотрубки. Об этом сообщает сайт Токийского университета. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Инженеры-исследователи Токийского университета представили в научном журнале Science свой новый метод опреснения воды с использованием кольцевой наноструктуры фтора диаметром всего один-два нанометра. Гидрофобные свойства данного химического вещества позволяют использовать его способности фильтровать молекулы соли из воды со впечатляющими показателями скорости и эффективности.
Инженер по материаловедению Ёсимицу Ито, один из соавторов научной публикации, пояснил: «В настоящее время существует два основных способа опреснения воды: термический, использующий тепло для испарения морской воды, чтобы она конденсировалась в виде чистой воды, или обратный осмос, который использует давление, чтобы протолкнуть воду через мембрану, блокирующую соль. Оба метода требуют затрат энергии, но наши тесты показывают, что фторсодержащие наноканалы требуют меньше энергии, а также имеют другие преимущества».
Команда во главе с Ито создала тестовые фильтрационные мембраны путем химического синтеза наноскопических колец фтора, которые были сложены и встроены в непроницаемый липидный слой, подобный органическим молекулам, из которых состоят клеточные стенки. Они создали несколько тестовых образцов с нанокольцами размером от 1 до 2 нанометров (для справки: человеческий волос имеет толщину почти 100 000 нанометров). Молекулы воды могут проходить сквозь такой канал, а молекулы соли – уже нет.
Чтобы проверить эффективность своих мембран, Ито и его команда замерили присутствие ионов хлора, одного из основных компонентов соли, по обе стороны от тестовой мембраны. «Меньший из наших испытательных каналов полностью отбрасывал поступающие молекулы соли, и более крупные каналы также были усовершенствованием по сравнению с другими методами опреснения и даже передовыми фильтрами из углеродных нанотрубок», – сказал Ито.
Он также добавил: «Настоящим сюрпризом для меня было то, насколько быстро произошел этот процесс. Наш образец работал примерно в несколько тысяч раз быстрее, чем типичные промышленные устройства, и примерно в 2400 раз быстрее, чем экспериментальные опреснительные устройства на основе углеродных нанотрубок».
Поскольку фтор электрически отрицателен, он отталкивает отрицательные ионы, такие как хлор, содержащийся в соли. Дополнительным бонусом является то, что он также разрушает так называемые «кластеры воды» – слабо связанные группы молекул воды, так что они быстрее проходят через каналы.
Таким образом, мембраны для опреснения воды на основе фтора показали, что они более эффективны, быстрее работают, требуют меньше энергии и очень просты в использовании. А в чем заключаются выявленные недостатки?
«В настоящее время способ, которым мы синтезируем наши материалы, сам по себе является относительно энергоемким; однако это то, что мы надеемся улучшить в предстоящих исследованиях. И, учитывая долговечность мембран и их низкие эксплуатационные расходы, общие затраты на энергию будут намного ниже, чем при использовании существующих методов», – сказал Ито.
По его словам, другие шаги, которые намерены предпринять исследователи, — это, конечно, расширение масштабов. Тестовые образцы представляли собой одиночные наноканалы, но через несколько лет специалисты рассчитывают создать из них мембрану производственного масштаба – диаметром около 1 метра. Параллельно с этим специалисты изучают возможности использовать аналогичные мембраны для сокращения выбросов углекислого газа или других нежелательных отходов, выбрасываемых промышленностью.