Химики из НИУ ВШЭ, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова и Китайского университета науки и технологий создали мембраны с улучшенными свойствами. Исследователи экспериментально выявили влияние различных факторов на процесс обессоливания и величину селективности разделения ионов. Авторы считают, что работа поможет лучше прогнозировать свойства новых ионообменных мембран, которые используются для очистки и обессоливания воды. Результаты исследования опубликованы в журнале Desalination.
Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-43-00138.
С каждым годом доступность пресной воды снижается из-за ее интенсивного использования, загрязнений и слабого развития систем водоочистки в промышленности и бытовом секторе. За последние 20 лет объем пресной воды в расчете на человека сократился на 20%, и в 2023 году, по данным ООН, 2,4 миллиарда людей живут в странах с нехваткой пресной воды.
Один из путей получения питьевой воды — опреснение морской. Для этого применяют разные устройства, в том числе ионообменные мембраны — тонкие селективные пленки, в структуре которых специфические химические группы определяют, какие ионы пропустить, а какие блокировать. При опреснении используют метод электродиализа: под действием электрического поля ионы с одинаковым зарядом переносятся через полимерную мембрану и концентрируются в специальной камере.
При этом ионы с разной величиной заряда мембрана пропускает избирательно, например хлорид-ионы (Cl-) — эффективнее, чем сульфаты (SO42-). Это свойство называют селективностью. Ученым важно правильно оценивать селективность мембран с учетом влияния внешних факторов, чтобы сделать будущие устройства для очистки эффективнее.
Химики из НИУ ВШЭ, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова и Китайского университета науки и технологий провели эксперименты по обессоливанию с использованием двух мембран — коммерческой и экспериментальной, которую они послойно модифицировали полиэлектролитами с разными ионными группами. Также они создали компьютерную модель, позволяющую оценить селективность мембран к однозарядным ионам с учетом влияния экспериментальных факторов. Исследователи изучили влияние перемешивания, концентрации растворов, наличия предобессоливания, величины тока, а также различия между симметричной и асимметричной системами.
Мы систематизировали методологию процесса обессоливания и показали, что реальные данные совпадают с теоретической моделью. Надеемся, что наша работа позволит лучше предсказывать свойства будущих мембран.
Модифицированная учеными мембрана оказалась эффективнее коммерческой в экспериментах по обессоливанию растворов солей. Причем эффективность разделения возрастала с ростом концентрации растворов. В дальнейшем исследователи планируют разработать новые мембраны с улучшенной селективностью для различных электрохимических приложений, например для извлечения полезных компонентов из стоков промышленных производств.
IQ
Андрей Манин
Один из авторов статьи, студент факультета химии НИУ ВШЭ