Американські матеріалознавці отримали нові мембрани, які можуть не тільки очистити і опріснити воду, а й селективно витягти понад 99 відсотків ртуті, міді, заліза і борної кислоти. Мембрана масою в один кілограм може очистити 34500 літрів води з вмістом ртуті п'ять мільйонних часток, і її можна використовувати в для очищення різних вод: ґрунтових, стічних, солонуватих. Надалі автори планують витягувати з води й інші шкідливі або цінні метали. Результати дослідження опубліковані в журналі.
З проблемами нестачі чистої прісної води вже сьогодні стикаються два з трьох жителів нашої планети, а в майбутньому у зв'язку з потеплінням клімату дефіцит питної води швидше за все посилиться. Відомо безліч способів очищення і опріснення води, але у них є загальний недолік - велика витрата енергії і висока ціна. Тому вчені продовжують шукати нові більш дешеві і прості методи отримання чистої води.
Один з таких методів - електродіаліз з використанням іон-обмінних мембран. Такі мембрани є напівпроникними - пропускають тільки іони з певним зарядом (або позитивним або негативним) і залишаються непроникними для іонів з протилежним зарядом і нейтральних частинок. Приклавши до ємності з водою електричне поле, можна змусити іони рухатися в заданому напрямку, а потім відокремити їх за допомогою мембрани. Однак, у цього способу є недолік - крім чистої води в кінці експерименту утворюється невелика кількість води з високим рівнем забруднень, яку потім треба утилізувати.
Рішення цієї проблеми відшукали американські матеріалознавці під керівництвом Джеффрі Лонга (Jeffrey R. Long) з Каліфорнійського університету в Берклі. Вони модифікували іон-обмінні мембрани за допомогою наночастинок пористих ароматичних каркасних структур (PAF) і зуміли не тільки очистити воду, але і селективно витягти з неї розчинені іони металів.
Частинки PAF - це мережа тетраедрів, ребра яких складається з ароматичних вуглеводневих фрагментів, модифікованих функціональними групами. Варіюючи тип груп і довжину ребер тетраедра, можна отримувати наночастинки, які вловлюють позитивно заряджені іони (катіони) або негативно заряджені іони (аніони) різних розмірів. Автори отримали чотири види PAF з різними групами і додали їх до матеріалів стандартних іон-селективних мембран на основі полісульфона (PSF). Для цього вони готували суспензію наночастинок PAF і сульфонованого полісульфону в диметилформаміді, перемішували її протягом двох годин, а потім наносили на скляні підкладки і давали розчиннику випаруватися. Таким чином можна додати до PSF до двадцяти масових відсотків PAF, і отриманий композит залишається стабільним навіть у концентрованих лужах і кислотах.
Потім автори провели пілотний експеримент з вилучення іонів ртуті з води. Для цього вони приготували зразки грунтової, стічної і солонуватої (цим терміном позначають суміш морської і прісної води), в які додали по п'ять мільйонних часток солей ртуті. Мембрану з добавками PAF-SH, які селективно адсорбують ртуть, розмістили в ємності для електродіалізу ближче до катода - негативно зарядженого електроду. Після замикання ланцюга всі катіони металів почали рухатися до катода, при цьому катіони ртуті адсорбувалися на мембрані, а інші катіони проходили крізь мембрану і скупчувалися в прикатодному відсіку. У центральному відсіку концентрація металів поступово зменшувалася до невизначених значень. Час електродіалізу залежав від вмісту інших іонів - найбіднішу іонами ґрунтову воду вдалося повністю очистити всього за дві години, а солонувату - за шістнадцять. Авторам вдалося адсорбувати на мембрани понад 99 відсотків ртуті, практично не забрудненої іншими металами. Щоб після закінчення експерименту витягти ртуть із заповненої мембрани, достатньо було промити її соляною кислотою, а потім нітратом натрію. Саму мембрану можна використовувати багаторазово - за десять циклів використання ємність вилучення ртуті знизилася всього на вісім відсотків. Лонг і його колеги розрахували, що мембрана масою в один кілограм зможе очистити 34500 літрів води з вмістом ртуті п'ять мільйонних часток.
Використовуючи інші модифікації PAF автори також зуміли витягти з води 99,9 відсотка катіонів заліза, 99,9 відсотка катіонів міді і 99,5 відсотка аніонів борної кислоти. Надалі, використовуючи інші функціональні групи і варіюючи розмір пір, вони планують витягти з води золото, уран та інші небезпечні або цінні метали. Можна помістити в одну ємність для електродіалізу дві мембрани - для вилучення катіонів і аніонів - і витягувати, наприклад, ртуть і борну кислоту одночасно.
Оскільки наночастинки PAF добре комбінуються з відомими іон-проникними мембранами, нову технологію можна буде застосовувати на вже існуючих системах для очищення води.
Прообразами пористих мембранних фільтрів люди почали користуватися понад дві тисячі років тому. Наприклад, в кінці минулого року американські археологи з'ясували, що стародавні індіанці Майя очищали воду за допомогою цеолітів - пористих алюмосилікатних мінералів періодично розташованими каналами розміром близько десяти ангстремів. Як припускають автори статті, спочатку індіанці брали воду з природного джерела, багатого цеолітами, а потім здогадалися зробити такий фільтр самостійно.
А про сучасні способи очищення води можна почитати в нашому матеріалі «Фільтруй з розумом»