Менее 1% воды на Земле пригодно для питья. Удаление соли и других минералов из крупнейшего источника - морской воды - может помочь удовлетворить растущий спрос населения на чистую воду для питья, сельского хозяйства, транспорта, отопления, охлаждения и промышленности. Но опреснение является энергоемким процессом, что необходимо учитывать для расширения его применения.

             Теперь, команда исследователей под руководством Департамента Ок-Ридж энергетики Национальной лаборатории показала новую энергосберегающую технологию опреснения, которая использует пористую мембрану, изготовленную из прочного, тонкого графена. Результаты исследования опубликованы 23 марта в онлайн-выпуске Nature Nanotechnology.

            Современные методы очистки воды включают дистилляцию и осмос (процесс односторонней диффузии через полупроницаемую мембрану молекул растворителя в сторону бо́льшей концентрации растворённого вещества из объёма с меньшей концентрацией растворенного вещества). Перегонка или нагревание смеси для удаления летучих компонентов требует значительного количества энергии. Если имеется соленая вода на одной стороне пористой мембраны и пресная вода на другой, то осмотическое давление, как правило, переносит воду обратно в соленую сторону. Но если это преодолеть, то получится обратный осмос. Обратный осмос более энергоэффективный процесс, который, тем не менее, требует изрядного количества энергии.

          Создание пор в графене является ключевым фактором. Без этих отверстий, вода не сможет перемещаться от одной стороны мембраны на другую. Молекулы воды, просто слишком большие, чтобы пройти через мелкую сетку графена. Но через отверстия просто правильной формы молекулы воды могут проникнуть. Ионы соли больше по размерам, чем молекулы воды, и не смогут проникнуть через мембрану.

        Пористая мембрана позволяет осуществить осмос. Сегодня фильтры обратного осмоса, как правило, полимеры. Фильтр тонкий и находится на опоре. Необходимо приложить значительное давление, чтобы протолкнуть воду из морской стороны в пресноводную. Если сделать мембрану более пористой и более тонкой, можно увеличить поток через мембрану и снизить требования к давлению, что приведет к уменьшению затрат энергии.

Графен – материал только в один атом толщиной, но гибкий и прочный. Его механические свойства и химическая стабильность делают его перспективным для разделительных мембран. Пористая мембрана из графена может быть более проницаемой, чем полимерная, так что разделенная вода будет течь быстрее через мембрану при тех же условиях.

 

 

В процессе эксперимента произведенными по особой технологии мембранами разделили два водных раствора - соленую воду на одной стороне, свежую на другой. Мембрана обеспечила быстрый перенос воды через мембрану и отклонила почти 100 % ионов солей, например, положительно заряженные атомы натрия и отрицательно заряженные атомы хлора. Поток через мембрану из графена, по крайней мере на порядок выше, чем через самые современные полимерные мембраны обратного осмоса, - говорят исследователи.

Оптимальный размер пор для эффективного опреснения, был определен и составил от 0,5 до 1 нм. Также обнаружено, что наилучшая плотность пор для опреснения - 1 пора на каждые 100 квадратных нанометров.

В дальнейшем будут изучены другие методы производства пор в графеновых мембранах. Исследователи говорят, что графеновые пористые мембраны используемые в эксперименте, могут применяться и в промышленном масштабе.

Источник: http://www.ornl.gov/ornl/news/news-releases/2015/ornl-led-team-demonstrates-desalination-with-nanoporous-graphene-membrane

Энергетика и промышленность России - информационный портал           Научный журнал “Видеонаука          Наука и технологии России − STRF.ru

Другие партнёры сайта