Команда базовой кафедры неорганической химии и материаловедения ИОНХ РАН имени Н. С. Курнакова факультета химии НИУ ВШЭ разработала принципиально новый тип гибридных ионообменных мембран. Подобные мембраны применимы для получения пресной питьевой воды из морской, что особенно актуально для территорий, где есть выход к морю, но питьевой воды не хватает.
Исследование опубликовано в журнале Desalination. Для очистки воды в водоочистительных механизмах используются мембранные фильтры. На сегодняшний день это самые прогрессивные системы фильтрации. Тем не менее современные мембраны еще не способны полностью очищать морскую воду от избыточной концентрации солей.
Морская вода содержит смесь солей: в ней присутствуют положительно заряженные частицы — катионы (натрия (Na+), кальция (Ca2+)) — и отрицательно заряженные частицы — анионы (хлориды (Cl–), сульфаты (SO42-)). В зависимости от вида мембраны она может пропускать катионы или анионы. Однако в обоих процессах будет наблюдаться некоторая избирательность: например, мембрана лучше пропускает натрий, чем кальций, — такую особенность называют селективностью. Большинство анионообменных мембран селективны именно к двухзарядным анионам: сульфатам (SO42-) или карбонатам (CO32-).
Такие анионы с большей вероятностью вступают в реакцию и выпадают в осадок, что в промышленных масштабах приводит к выходу из строя установок по водоочистке из-за образования осадков солей в модулях концентрата. Поэтому получение анионообменных мембран, селективных к однозарядным анионам (хлоридам Cl–, нитратам NO3-), — важное направление промышленной водоподготовки.
Команда исследователей факультета химии НИУ ВШЭ и ИОНХ РАН разработала новый подход к получению анионообменных мембран, селективных к однозарядным ионам. Ученые проводили эксперименты с готовыми мембранами. Для улучшения свойств мембраны в ее поры ввели фосфат церия с кислыми фосфатными группами в структуре. Благодаря тому, что он плохо растворяется в воде, в питьевую воду не попадают частицы, а мембраны работают дольше.
Модификации проводились в два этапа. Сначала поверхность мембран обработали раствором соли церия, затем солью фосфорной кислоты. Химическая реакция между солями привела к образованию наночастиц фосфата церия, поверхность которого заряжена отрицательно. В растворе морской воды также присутствуют отрицательно заряженные частицы. Сталкиваясь друг с другом, эти отрицательные частицы отталкиваются.
Причем по закону Кулона: чем выше величина их заряда, тем сильнее частицы будут отталкиваться друг от друга. Так, сульфаты с зарядом -2 будут отталкиваться от пор мембраны с частицами фосфата церия сильнее, чем, например, однозарядные хлориды. Это, по мнению исследователей, одна из причин повышения селективности таких мембран к однозарядным анионам. В ходе работы ученые варьировали число циклов и время обработки, а также концентрацию реагентов.
Чтобы выяснить, какая из мембран наиболее селективна к однозарядным ионам, исследователи провели эксперименты по обессоливанию смеси растворов хлорида и сульфата натрия. Наилучший результат показала модифицированная мембрана с одним циклом обработки каждым из реагентов в течение 10 минут: значение селективности к хлоридам улучшилось на 55 процентов по сравнению с исходной коммерческой мембраной.
«Мы предложили довольно эффективный и недорогой способ получения анионообменных мембран, надеемся, что в будущем их можно будет применять для обессоливания морской воды. Сейчас в рамках работы научно-учебной группы «Композиционные материалы для охраны окружающей среды» мы пытаемся применить аналогичную методику модификации к другому типу мембран», — комментирует один из авторов статьи, студент факультета химии НИУ ВШЭ Андрей Манин.