В настоящее время в океанах и морях содержится около 97% воды Земли, и лишь крайне малая часть мирового объема питьевой воды поступает из опресненной солёной воды. В целях оптимизации развития потребления океанической и морской солёной воды методы опреснения должны стать более энергоэффективными и менее дорогостоящими. В новом исследовании инженеры доказали, что нанопористый графен может фильтровать соли и другие химические и биологические загрязнения из воды со скоростью на 2-3 порядка быстрее, чем лучшая на сегодняшний день коммерческая технология опреснения - обратный осмос (RO).
Исследователи прогнозируют, что превосходная проницаемость графена для воды может привести к развитию методов опреснения, которые требуют меньше энергии и используют меньшие места трудоёмкости в обслуживании, чем технология обратного осмоса, при наименьшей стоимости.
Гидрогенизированные и (вверху справа) гидроксилированные поры (внизу) моделируемого нанопористого графена, фильтрующего ионы солей при получении опреснённой воды.
Эта работа показывает, что большинство недостатков современных методов опреснения можно избежать, используя более эффективные и целевые (в зависимости от анализа исходной воды) мембранные материалы, в частности, наноструктурирование мембран может обеспечить реальный процентный выход по чистой воде (с полным отводом соли) за счет градиентного уменьшения пор материала, что приведет к гораздо более высокой проницаемости по сравнению с обратным осмосом.
Ранее до этого исследователи делали подобные эксперименты по использованию нанопористых материалов для опреснения воды. В отличие от технологии обратного осмоса, которая использует высокое давление, для медленного проникновения молекул воды (но не ионов соли) через пористую мембрану, нанопористые материалы работают при более низких давлениях и обеспечивают четко определенные направления движения очищаемого продукта, которые могут фильтровать соленую воду с большей скоростью, чем обратноосмотические мембраны.
Тем не менее, впервые ученые исследовали потенциальную роль нанопористого графена в качестве фильтра для опреснения воды. Однослойный графен, толщина которого составляет всего один атом углерода, является предельно тонкой мембраной, что делает его оптимальным материалом для опреснения воды, поскольку поток воды через мембрану масштабируется обратно пропорционально толщине мембраны.
Используя классическое молекулярно-динамическое моделирование, разработчики исследовали водопроницаемость нанопористого графена с различными диаметрами пор (от 1,5 до 62 Å2). Как показали предыдущие эксперименты, нанопоры могут быть введены в графен различными способами, включая бурение ионно-лучевым пучком и химическое травление. В своих моделях ученые усилили нанопоры путем пассивации или экранирования каждого атома углерода на краю поры либо атомами водорода, либо гидроксильными группами.
Поскольку эти атомы углерода на краю пор были бы достаточно реактивными без пассивации, так или иначе, в реальных экспериментальных условиях они, вероятно, будут иметь некоторую форму химической функционализации, что можно контролировать в некоторой степени, поэтому требовалось изучить два предела гидрофобных и гидрофильных краевых химических ограничений пор. Если бы не было функциональных групп (только сам собственно углерод), то в течение короткого времени молекулы воды диссоциировали бы на краю поры и, вероятно, либо гидрировали, либо гидроксилировали эти атомы углерода.
Ученые сравнили две химические системы, а также различные размеры пор нанопористого графена при их моделировании, используя соленую воду с соленостью 75 г / л по мембранам, что примерно вдвое превышает соленость средней морской воды (около 37 г / л).
Они обнаружили, что, хотя самые крупные нанопоры могут фильтровать воду с максимальной скоростью, большие нанопоры пропускают некоторое количество ионов соли. Моделирование идентифицировало промежуточный диапазон диаметров нанопор, где нанопоры были достаточно большими, чтобы позволить проход молекул воды, но достаточно маленькими, чтобы ограничить проскок ионов соли.
Моделирование также показало, что гидроксилированный графен значительно улучшает водопроницаемость, что ученые связывают с гидрофильной природой гидроксильных групп.