Исследователи из Технологического института Technion в Израиле и Университета Техаса в Остине пролили новый свет на структуру мембран, используемых для опреснения воды. Статья опубликована в журнале ACS Nano и стала обложкой номера.
В отличие от предыдущих исследований
В отличие от предыдущих исследований, которые фокусировались на характеристиках мембран в сухом состоянии, в этой работе их также анализировали во влажном состоянии и обнаружили значительные различия между ними. Эти различия влияют на производительность мембран, что делает открытие актуальным для разработки более эффективных мембран для опреснения и очистки воды.
Руководители исследования
Исследование проводилось под руководством доктора Тамар Сегал-Перетц из факультета химической инженерии имени Вольфсона, доктора Гая Рамона из факультета гражданского и экологического строительства и профессора Маниша Кумара из Университета Техаса в Остине, а также аспиранта Ченхао Яо (Университет Техаса) и доктора Ади Бен-Цви, которая проводила исследования в рамках программы нанонауки и нанотехнологий Technion. Доктор Бен-Цви сейчас является постдокторантом в Университете Райса в Хьюстоне, штат Техас.
Проблема доступа к чистой воде
По данным Всемирной организации здравоохранения, примерно четверть населения мира не имеет доступа к безопасной питьевой воде. Чистая вода включена в число 17 целей устойчивого развития ООН, что делает технологии опреснения и повторного использования воды особенно важными, особенно в засушливых регионах, таких как Израиль, который является мировым лидером в обеих областях. Сегодня пять опреснительных установок Израиля обеспечивают примерно 70% внутреннего водоснабжения страны. Кроме того, примерно 85% сточных вод очищаются и используются в сельскохозяйственных целях.
Обратный осмос
Обратный осмос в настоящее время является наиболее распространённой технологией опреснения. В самых общих чертах процесс включает в себя прохождение воды через мембрану, которая блокирует соли и другие примеси. В естественном осмосе вода течёт от разбавленного раствора к более концентрированному до тех пор, пока концентрации не уравняются.
В отличие от этого, обратный осмос меняет этот поток, используя энергию, направляя воду из концентрированного раствора (например, морской воды) в разбавленный (опресненная вода). Этот процесс позволяет производить пресную воду из нетрадиционных источников, таких как морская вода, солоноватая вода и сточные воды.
Вызовы и методы исследования
Хотя мембраны обратного осмоса занимают центральное место в современном опреснении, остаются значительные пробелы в знаниях о связи между структурой и функцией мембраны. Проблема связана с чрезвычайно тонкой (примерно 200 нанометров) и сложной трёхмерной структурой мембран, которую трудно охарактеризовать с помощью традиционных методов, таких как атомно-силовая микроскопия (AFM).
В этом исследовании учёные провели трёхмерное картирование морфологии мембраны в водонасыщенном состоянии — условиях, которые близко имитируют условия реальных процессов обратного осмоса. Трёхмерная характеристика была выполнена с использованием криогенной трансмиссионной электронной микроскопии (cryo-TEM) томографии, когда мембрана была полностью гидратирована и заморожена.
Команда обнаружила, что вода кардинально изменяет структуру мембраны, вызывая её объёмное расширение примерно на 30% и более. Поскольку ранее характеристика мембран методом TEM основывалась только на их сухом состоянии, это является крупным научным и практическим прорывом. Ожидается, что новое нанометровое картирование значительно улучшит проектирование мембран в будущем и повысит их производительность, способствуя развитию технологий опреснения и повторного использования воды.
Предоставлено Technion — Israel Institute of Technology