По данным ООН, около 2,2 миллиарда человек во всем мире не имеют доступа к безопасной питьевой воде. Ожидается, что проблема будет усугубляться по мере того, как урбанизация захлестнет города и истощит запасы пресной воды. Новая мембрана может помочь, значительно улучшив технологию фильтрации воды, которая уже используется для очистки загрязнений из промышленных источников и ферм, сообщили исследователи на прошлой неделе в журнале Nature Sustainability. Авторы утверждают, что, если их можно будет масштабировать и коммерциализировать, новые фильтры могут резко снизить стоимость превращения сточных вод в безопасную питьевую воду.
Бенни Фриман, эксперт по мембранной фильтрации из Техасского университета в Остине, называет новую работу «впечатляющей», отчасти потому, что однородные поры новых мембран могут отфильтровывать определенные загрязнители, такие как органические красители и пестициды. «Это Святой Грааль в этом бизнесе», — говорит Фримен.
По данным Всемирной организации здравоохранения, болезни, связанные с водой, убивают около 1,6 миллиона маленьких детей, а загрязненная вода ежегодно становится причиной болезней примерно 1,5 миллиарда человек. Среди крупнейших виновников – неочищенные сточные воды промышленности и сельского хозяйства.
Одним из вариантов очистки сточных вод является использование мембран «нанофильтрации», которые представляют собой пластиковые пленки с отверстиями диаметром примерно 1 нанометр для фильтрации загрязняющих веществ, таких как органические соединения, металлы и микробы. (Опреснительные установки используют еще более мелкоперфорированные мембраны «обратного осмоса» с отверстиями диаметром 0,1 нанометра для фильтрации растворенных солей.)
По данным исследовательской компании MarketsandMarkets, продажа нанофильтрационных мембран уже приносит 1 миллиард долларов в год. Но проблемой для производителей является контроль диапазона размеров пор, что ограничивает способность мембран исключать некоторые загрязнения, говорит Хуантин Ван, ученый-материаловед из Университета Монаша. Непостоянство также снижает производительность фильтра, поскольку многие поры меньше идеального размера в 1 нанометр.
Теперь Ван и его коллеги придумали способ изготовления мембран с порами одинакового размера в 1 нанометр. Исследователи начали с двух полимерных строительных блоков: длинных полюсообразных молекул и коротких соединительных сегментов. При помещении в раствор с пористой пластиковой пленкой полюса и сегменты разъема выстраивались на пленке. Разъемы прикреплялись к определенным местам на опорах, образуя лист с кольцеобразными пустотами, немного напоминающий сетчатый забор. Сложив многочисленные листы, исследователи образовали твердую мембрану.
Хотя поры внутри стопки не всегда совпадают, их достаточно, чтобы мембрана представляла собой почти идеальный фильтр для нанофильтрации. Исследователи сообщают, что мембраны пропускают в пять раз больше воды, чем современные коммерческие нанофильтрационные мембраны, не требуя большего давления, и при этом действуют как почти идеальные фильтры для различных металлических и органических загрязнителей. В результате, по словам Фримена, мембраны смогут очищать в пять раз больше сточных вод, чем нынешние мембраны того же размера, что приведет к снижению затрат.
Ван отмечает, что, поскольку длину двух химических строительных блоков можно изменить, появится возможность увеличивать или уменьшать размер пор, чтобы адаптировать мембраны для фильтрации соединений, связанных с конкретными отраслями промышленности. Цзюньхуэй Хуан, химик из Харбинского технологического института и первый автор статьи, говорит, что команда работает с китайской компанией по очистке сточных вод над коммерциализацией новой технологии.
