Як графен може допомогти з опрісненням морської води

Graphene oxide membrane Копирайт изображения Uni Manchester
Image caption Графенові мембрани мають великі перспективи в опрісненні морської води

У Британії команда дослідників створила сито на основі графену, яке здатне відсіювати солі з морської води.

Ця перспективна розробка може допомогти мільйонам людей, котрі не мають швидкого доступу до чистої питної води.

Сито з оксиду графену може виявитися особливо ефективним в очищенні води від солей, і невдовзі його почнуть тестувати, порівнюючи з уже наявними мембранами для опріснення.

Раніше виробляти такі графенові фільтри в промислових масштабах було доволі складно.

У статті для журналу Nature Nanotechnology науковці з Університету Манчестера під проводом доктора Рахуля Наїра показали, що їм вдалося подолати деякі труднощі за допомогою використання похідної хімічної сполуки, яка називається оксид графену.

Вперше виокремити і описати графен вдалося команді вчених з цього самого університету в 2004 році. Графен складається з єдиного шару атомів вуглецю, організованих у ґратки з шестигранними комірками. Його особливі властивості, такі як неймовірна міцність на розрив і електропровідність, зробили з цього матеріалу найперспективнішого кандидата для застосування в майбутніх розробках.

Але виробляти графен доступними нині способами, такими як хімічне осадження з парової фази (ХОПФ), неймовірно складно. Крім того, наявне виробництво дороге.

При цьому, як каже доктор Наїр, "оксид графену можна виготовити простим окисленням у лабораторії".

Він розповів BBC News: "Як один з варіантів ми можемо накласти його на підкладку або пористий матеріал. А тоді використовувати як мембрану. У плані масштабування і вартості матеріалу оксид графену має потенційну перевагу над одношаровим графеном".

Копирайт изображения EPA
Image caption Доступ до чистої води залишається вагомою проблемою для мільйонів людей по всьому світу

Розказуючи про одношаровий графен, він додав: "Щоб зробити його проникним, потрібно свердлити дрібні дірочки в мембрані. Але якщо їх розмір більший за один нанометр, кристалики солі проходитимуть крізь них. Потрібно зробити мембрану з однаковими дірочками, меншими за один нанометр, щоб її можна було застосовувати для опріснення води. Це неймовірно складне завдання".

Мембрани з оксиду графену вже довели свою ефективність у відсіюванні дрібних наночасток, органічних молекул і навіть солей з великими кристалами. Але поки що їх не вдавалося використовувати для фільтрування звичайних солей, яким потрібні ще дрібніші сита.

Попередній досвід показав, що під дією води мембрани з оксиду графену дещо набухали, дозволяючи дрібним солям проскакувати крізь пори разом з молекулами води.

Тепер доктор Наїр з колегами продемонстрували, що цього розширення мембрани можна уникнути, якщо закріпити з кожного її боку стінки з епоксидної смоли (речовина, яку використовують у матеріалах для покриття і клеях).

Обмеживши це набухання, вчені змогли також регулювати властивості мембрани, наприклад, дозволяючи їй пропускати більше чи менше звичайної солі.

Коли звичайні солі розчиняються у воді, вони завжди створюють довкола своїх молекул "оболонку" з молекул води.

Це дозволяє крихітним капілярам мембран з оксиду графену відсіювати сіль, яка зазвичай проходить крізь сито разом з потоком води.

"Молекули води можуть пройти самі, але хлористий натрій - ні. Йому завжди потрібна допомога від молекул води. Розмір водяної оболонки довкола молекули солі більший за розмір каналу, тому сіль не може проникнути", - пояснює доктор Наїр.

Копирайт изображения PHOTOSTOCK-ISRAEL/SCIENCE PHOTO LIBRARY
Image caption Науковці планують протестувати мембрани з оксиду графену, щоб порівняти їх з доступними технологіями опріснення

Натомість молекули води проходять крізь мембранний бар'єр без жодних затримок, що робить цю технологію ідеальною для опріснення.

"Коли розмір капілярів сягає десь одного нанометра, що дуже близько до розміру молекули води, то ці молекули акуратно вишиковуються у взаємопов'язану структуру, котра нагадує потяг", - каже доктор Наїр.

"Це помагає воді рухатися швидше: якщо підштовхнути з одного боку, всі молекули рухатимуться в інший бік, бо між ними існують водневі зв'язки. Домогтися такого стану справ можна лише в разі, якщо розмір каналу дуже маленький", - веде далі вчений.

ООН очікує, що до 2025 року 14% населення світу зіткнеться з браком питної води. Під впливом кліматичних змін міські запаси води скорочуються, тим часом багаті країни інвестують у опріснювальні технології.

Заводи з опріснення, які існують сьогодні по всьому світу, використовують мембрани на полімерних матеріалах.

"Це наша перша демонстрація того, що ми можемо контролювати розмір отворів мембрани і проводити опріснення у спосіб, неможливий раніше. Наступним кроком буде порівняти це з тими досягненнями, що є на ринку", - каже доктор Наїр.

У своїй статті в Nature Nanotechnology, яка слугувала коментарем до дослідження, Рам Деванатхан із Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії в Ричланді, США, написав, що потрібно ще багато зробити, перш ніж мембрани з оксиду графену можна буде виробляти недорого і в промислових масштабах.

За його словами, науковцям ще потрібно довести стійкість мембран під впливом тривалого контакту з морською водою і забезпечити, щоб мембрани не псувалися солями й біологічними матеріалами. Це означає, що фільтри потрібно буде періодично чистити й міняти.

Він також пише, що нова технологія "відчиняє двері синтезу недорогих мембран для дистиляції води".

"Кінцева ціль - створити фільтраційний пристрій, який на виході даватиме питну воду з солоної або стічної води, витрачаючи при цьому якнайменше енергії", - пише вчений.

Новини на цю ж тему