Создана уникальная мембрана для опреснения воды

Исследователи из UCLA разработали новый класс мембран обратного осмоса для опреснения воды, которые не загрязняются, как обычные мембраны после очистки морской воды, жесткой воды и сточных вод. 

Водопроницаемая, поверхностно-структурированная мембрана может легко быть включена в сегодняшнюю систему производства, исследователи говорят, что могут значительно уменьшить эксплуатационные расходы опреснения воды. Полученные данные опубликованы в текущем номере Journal of Materials Chemistry.. 

Обратный осмос для опреснения воды использует высокое давление, чтобы продавить загрязненную воду через поры мембраны. В это время молекулы воды проходят через поры, а ионы соли, бактерии и другие примеси не могут пройти. В течение долгого времени, эти частицы накапливаются на поверхности мембраны, приводя к засорению и повреждению мембраны. Очистка от загрязнений мембран на насосной станции требует затраты энергии, а также необходимости частой замены дорогостоящей мембраны. 

Новая поверхностная топография новой мембраны UCLA и химия позволяют ей избежать вышеперечисленных недостатков. 

"Помимо высокой пропускной способности, новая мембрана также показывает высокую способность задержки загрязнений и долгосрочную стабильность," говорит Нэнси Х. Лин, старший исследователь и ведущий автор исследования. "Структурирование мембранной поверхности не требует долгого времени реакции, высокой температуры реакции или использования вакуумной камеры. Очистительная способность, которая может увеличить срок службы мембраны и уменьшить эксплуатационные затраты, в несколько раз выше, чем у существующих промышленных мембраны." 

Новая мембрана была синтезирована в процесс с тремя стадиями. Сначала, исследователи синтезировали мембрану тонкую пленку полиамидаамида, используя обычную граничную полимеризацию. Затем, они активизировали поверхность полиамида плазмой атмосферного давления, чтобы создать активные участки на поверхности. Наконец, эти активные участки использовались, чтобы привить мономер с помощью реакции полимеризации на эти участки полиамида создав "слой щетки". Эта полимеризация, выполняется в течение определенного промежутка времени при определенной температуре и контролирует толщину слоя щетки и топографию. 

"Ранее, поверхностная плазменная обработка могла только быть достигнута в вакуумной камере," говорит Иорам Коэн, профессор UCLA и соавтор исследования. "Это не было практично для крупномасштабной коммерциализации, потому что тысячи метров мембран не могут быть синтезированы в вакуумной камере. Это слишком дорого. Но теперь, с появлением плазмы атмосферного давления, мы даже не должны обрабатывать ее химически. Это столь же просто как очистка поверхности плазмой, и это может быть сделано для почти любой поверхности." 

В этой новой мембране, цепи полимера, привязанные к "слою щетки" находятся в постоянном движении. Они химически "поставлены на якорь" к поверхности и таким образом более теплоустойчивы, относительно тонкой пленки полимера. Поток воды также добавляет к движению слоя щетки, делая его чрезвычайно трудным для закрепления бактерий и других коллоидных веществ на поверхности мембраны. 

"Если Вы когда-либо плавали, Вы будете знать, что морская водоросль перемещается назад и вперед с потоком воды," сказал Коэн. "Так вообразите, что Вы имеете эту различную структуру с непрерывным движением. Белок или бактерии должны быть в состоянии бросить якорь к многократным пятнам на мембране, чтобы присоединиться к поверхности - задаче, которая является чрезвычайно трудной достигнуть из-за постоянного движения слоя щетки." 

Другой фактор в предотвращении прилипания - поверхностный заряд мембраны. Команда Коэна в состоянии выбрать химию слоя щетки, чтобы придать желательный поверхностный заряд, позволяя мембране отражать молекулы одноименного заряда. 

Следующий шаг команды должен превратить синтез мембраны в непрерывный процесс и оптимизировать работу новой мембраны для различных водных источников. 

"Мы хотим создать мембранные системы для различных водных источников, которые имеют различные типы загрязнений," говорит Лин. "Обладая такими знаниями, можно оптимизировать поверхностные свойства мембран с различными "слоями щетки", чтобы задержать или предотвратить начало загрязнения мембраны. 

"Стоимость опреснения воды уменьшится тогда, когда мы уменьшим стоимость химикатов [используемых для очистки мембраны], а так же стоимость работы [по замене мембран]. Опреснение воды может стать более экономичным и использоваться дополнительно как жизнеспособный водный ресурс." 

Команда Коэна, в сотрудничестве с Исследовательским Центром Технологии Воды (UCLA) , в настоящее время выполняет исследования, чтобы проверить работу свойств новой мембраны в полевых условиях. 

"Мы работаем непосредственно с промышленностью и водными учреждениями во всем мире, что мы делаем здесь в водной технологии," сказал Коэн. "Причина для этого проста: Если мы должны ускорить передачу технологии знания от университета до реального мира, где эти решения необходимы, мы должны удостовериться, что мы обращаемся к реальным проблемам. Кроме того, это также предоставляет нашим студентам огромную возможность работать с промышленностью, правительством и местными фирмами." 

Отчет о исследовании новой мембраны также опубликован в журнале Journal of Membrane Science.