Опреснение морской воды с меньшими затратами: это амбициозная цель исследования группы инженеров Министерства энергетики Туринского политехнического университета (Турин, Италия) в сотрудничестве с Массачусетским технологическим институтом-Массачусетский технологический институт (Кембридж, США). и Миннесотский университет (Миннеаполис, США). Журнал Nature Communications недавно опубликовал результаты этого исследования, открыв тем самым новый путь в развитии технологий мембранных процессов опреснения, которые могут обеспечить инновационные решения текущей проблемы нехватки воды в нескольких странах.
Морскую воду можно обессолить и сделать питьевой с помощью мембраны, а именно «сита», способного отделять молекулы воды от растворенных ионов соли. Энергия, необходимая для этого процесса разделения, может обеспечиваться источниками тепла, электромагнитным полем или гидравлическим давлением.
В частности, исследования, представленные итальянскими и американскими учреждениями, были сосредоточены на процессе опреснения с помощью обратного осмоса, который основан на способности некоторых пористых материалов — под давлением, превышающим осмотическое, — проникать только молекулами воды. , отвергая при этом ионы соли.Этот процесс можно лучше представить как серию автомобилей, стоящих в очереди у пунктов пропуска для въезда на шоссе. «Предположим, что мотоциклы — это молекулы воды, а автомобили — растворенные ионы соли, и что оба они терпеливо стоят в очереди у пункта взимания платы», — поясняют исследователи Политехнического университета. «А теперь давайте представим, что проем платы за проезд имеет ширину всего один метр: мотоциклы смогут легко преодолеть барьер и, таким образом, выехать на шоссе, в то время как автомобили будут вынуждены менять курс. Точно так же мембраны для обратного осмоса позволяют транспортировать молекул воды, блокируя растворенные соли. Следовательно, эффективные мембраны характеризуются большой скоростью переноса воды при фиксированной подводимой энергии и эффективной поверхности, а именно высокой проницаемостью ».
Однако исследователи из Туринского политехнического университета, Массачусетского технологического института и Университета Миннесоты сделали шаг вперед, впервые получив возможность понять механизмы, регулирующие перенос воды из одной стороны (соленая вода) в другую (пресная вода). мембраны. Фактически, исследовательская лаборатория Массачусетского технологического института экспериментально измерила коэффициент диффузии проникающей воды, а именно подвижность молекул воды при пересечении мембраны. Эти мембраны изготовлены из цеолита, который представляет собой материал, характеризующийся плотной (и упорядоченной) сеткой пор с субнанометровым диаметром (менее одной миллиардной метра).
Однако экспериментальный коэффициент диффузии воды, по-видимому, почти в миллион раз ниже, чем ожидалось при моделировании и теоретическом анализе, по данным исследователей из Туринского политехнического университета. Головоломка, которая потребовала более двух лет совместной работы между Турином и Бостоном, благодаря совместной исследовательской программе MITOR, финансируемой Compagnia di San Paolo.Затем исследователи объясняют, что: «В то время как предыдущие исследования в основном были сосредоточены на процессе переноса внутри мембраны, мы переключили внимание на то, что происходило на поверхности, где можно было найти решение загадки». Фактически, перенос воды через мембрану регулируется рядом двух явлений: во-первых, молекулы воды должны найти открытую пору (поверхностное сопротивление переносу); затем они могут проникать в мембрану и диффундировать в ней (объемное сопротивление переносу), в конечном итоге просачиваясь с другой стороны мембраны. "Возвращаясь к предыдущему сравнению, добавление дополнительных полос движения может показаться недостаточной стратегией для ускорения движения мотоциклистов по шоссе.
Фактически, мы также должны обеспечить наличие достаточного количества открытых платных постов, чтобы избежать пробки на въезде (и выезде) с трассы », — говорят исследователи.Таким образом, ученые показали, что разница на порядки между теоретическими и экспериментальными значениями проницаемости мембран связана с сопротивлением переносу воды, проявляемым поверхностью мембран.
Это сопротивление проистекает из современных технологий производства цеолитовых мембран, которые вызывают закрытие более 99,9% имеющихся устьев пор. Другими словами, молекулы воды могут проникать через минимальную долю (одна на тысячу) отверстий поверхностных пор: это вызывает эффект узкого места, который замедляет общий транспорт воды через мембрану и, таким образом, резко снижает проницаемость мембраны. После более чем двух лет компьютерного моделирования и экспериментов Маттео Фазано, Алессио Бевилаква, Элиодоро Кьяваццо, Пьетро Азинари (Лаборатория многомасштабного моделирования, Департамент энергетики Туринского политехнического университета), Томас Хумплик, Эвелин Ван (Лаборатория исследования устройств, Массачусетский технологический институт) ) и Майкл Цапацис (Исследовательская группа Цапациса, Университет Миннесоты) раскрыли этот механизм и предложили точную физическую модель общего процесса проникновения воды.Эти результаты ясно показывают, что опреснительные мембраны следующего поколения с улучшенными характеристиками могут быть достигнуты с помощью технологий производства, позволяющих снизить поверхностное сопротивление транспорту, а именно открыть большую часть поверхностных пор.
По оценкам исследователей, мембраны, изготовленные в соответствии с этими критериями, обладают потенциалом для достижения проницаемости в 10 раз большей, чем существующие, что снижает эксплуатационные расходы в процессах опреснения. Это новое понимание явлений поверхностного и объемного переноса также открывает новые возможности для других приложений, в которых используются нанопористые материалы: от технологий для устойчивой энергетики (например, аккумулирование тепла) до удаления загрязняющих веществ из воды (например, молекулярных сит) и т. Д. наномедицине (например, доставка лекарств).