Российские ученые улучшили мембраны для очистки воды с помощью ионов металлов
Исследователи предложили использовать для очистки воды полимерные мембраны, модифицированные ионами металлов меди, цинка и хрома. Подобные полимеры впервые использовались для очистки воды методом электродиализа. Мембраны на основе меди показали рекордные значения селективности для однозарядных ионов, что открывает новые возможности для устойчивой переработки воды.
Исследование опубликовано в Journal of Membrane Science. Электродиализ — способ очистки воды от загрязнений без химических реагентов, основанный на движении ионов через мембрану под действием электрического поля. Эффективность очистки зависит от свойств мембраны, особенно от ее селективности — умения пропускать одни ионы и задерживать другие. При этом полимерные мембраны обычно лучше пропускают многозарядные ионы, такие как сульфаты, чем однозарядные, например нитраты. В результате на поверхности мембраны образуются отложения, которые блокируют перенос ионов и могут привести к выходу из строя всей электродиализной установки. Поэтому ученые разрабатывают способы повышения избирательности мембран к транспорту однозарядных ионов.
Мембраны для электродиализа обычно создаются на основе полимеров и содержат каналы с заряженными стенками, которые избирательно пропускают ионы. Классический полимер состоит из цепочки углеродных атомов, в которой заряженные функциональные группы прикреплены прочными ковалентными связями. Эти группы — часть структуры полимера, поскольку прикреплены к его боковой цепи.
Ученые из НИУ ВШЭ показали, как можно с помощью простой модификации повысить селективность полимерных мембран. Они использовали мембраны на основе полибензимидазола (PBI), в которые внедрили ионы металлов — меди, цинка и хрома. В предложенной структуре металлы соединялись с атомами азота из полимера с помощью координационных связей — их легко и сформировать, и разрушить, в отличие от прочных ковалентных связей. Это свойство координационных связей позволяет изменять структуру материала и адаптировать его свойства под конкретные задачи.
«Типичный полимер можно представить как гирлянду, где основная цепь — провод, а функциональные группы — лампочки, закрепленные на нем. В обычных мембранах лампочки всегда находятся на одном месте и прикреплены к проводу, а в нашем случае лампочки словно левитируют. Мы можем изменять их количество, добавляя больше или меньше ионов металла при синтезе, и таким образом регулировать свойства мембраны», — комментирует автор статьи, студент магистерской программы «Химия молекулярных систем и материалов» факультета химии НИУ ВШЭ и сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН Андрей Манин.
Мембраны, созданные с добавлением ионов меди, продемонстрировали рекордную селективность в процессе разделения нитратов и сульфатов. Ученые предполагают два объяснения. Первое — что размер ионных каналов в структуре мембраны идеально подходит для транспорта нитратов, в то время как более крупные сульфаты застревают. Второе связано с тем, что ионы нитратов могут взаимодействовать с ионами металлов в координационной сфере, что облегчает их прохождение через мембрану.
Эксперименты подтвердили, что мембраны с медью не только эффективны, но и стабильны: они сохраняют свои свойства в процессе длительного использования. Это важное преимущество перед аналогами на основе ионов цинка, которые вымывались из полимерной матрицы, загрязняя воду тяжелыми металлами. Ученые рассматривают несколько вариантов масштабирования технологии для промышленного внедрения.
«В эксперименте мы использовали замещенный полибензимидазол, синтезированный нашими коллегами из ИНЭОС РАН, а для производства можно взять другой доступный и широко производимый полимер, например незамещенный полибензимидазол. Другой вариант — наносить тонкий слой синтезированного полимера с ионами металлов на уже готовые коммерческие мембраны для электродиализа. Это позволит улучшить селективность, сохраняя свойства проводимости мембраны за счет исходного материала. Такие мембраны производятся по отлаженным технологическим процессам, и добавление одной стадии не будет критически влиять на стоимость производства, но может повысить эффективность мембран», — считает Андрей Манин.
Telegram 
Дзен 
VK Процессы, сопровождающие жизнь черных дыр, интересуют не только теоретиков. Ученые уже знают, что энергия и частицы могут покидать черные дыры и теперь работают над способами эту энергию использовать.
Ученые подтвердили один из самых необычных эффектов Общей теории относительности (ОТО): вращение Земли действительно «увлекает» за собой пространство-время. Новое измерение, выполненное с помощью спутника LARES-2, оказалось примерно в 10 раз точнее предыдущих и еще сильнее ограничило пространство для альтернативных теорий гравитации.
В отличие от микрочастиц, наночастицы не только эффективно проходят барьеры дыхательной системы, но и идут дальше — в мозг человека. До сих пор масштаб смертности от них был неясен. Теперь исследователи выяснили, что она доходит до миллионов человек каждый год.
Кит живет двести лет, умеет пробивать головой полуметровый лед и поет океанский джаз голосом несмазанной дверной петли. Охотоморские гренландские киты — это не просто многотонные ледоколы. Это древние узники, которые остались жить в Охотском море со времен последнего оледенения. Это счастливцы, которые смогли пережить гарпуны китобоев XIX-XX веков, но сегодня уязвимы не меньше. Чтобы спасти этих поразительных китов, российским ученым и команде фонда «Природа и люди» приходится: считать хвосты, читать биографии по шрамам, прятать подростков от хищников, стрелять (спутниковыми метками) с парамоторов и тяжелых дронов. Рассказываем, как устроена жизнь гренландских китов России и кто помогает им не исчезнуть навсегда с лица планеты.
Ученые выяснили, почему интервальное голодание для многих оказывается эффективнее обычных диет. Исследование показало, что ограничение времени для приема пищи избавляет худеющего от изнуряющего ощущения жесткого контроля и при этом позволяет сбросить ровно столько же, сколько при скрупулезном подсчете калорий.
Деревья растут и люди стареют не потому, что идет время, а из-за происходящих внутри них процессов. Но можно ли сказать, что именно эти процессы порождают время? Ученый создал маленькую Вселенную, в которой дела обстоят именно так.
Вселенная может оказаться «замкнутой» глобальной структурой, где свет от далеких галактик способен возвращаться к наблюдателю с разных направлений. Именно такой сценарий не удалось исключить авторам нового масштабного обзора. Проверить его предсказания астрономы смогут уже в ближайшие годы.
Ученые впервые на молекулярном уровне доказали, что обычная вода одновременно состоит из двух разных жидких состояний — более плотного и менее плотного, которые непрерывно сменяют друг друга. Раз молекулярная «двойственность» действительно существует, это подтверждает спорную 30-летнюю гипотезу. Новое открытие поможет, наконец, объяснить десятки «странных» физических аномалий воды, включая ее расширение при замерзании и парадоксальное изменение вязкости под давлением.
Американские ветеринары установили, что длина шага передних лап у пожилых собак отражает возрастные изменения в работе мозга. Когда у собак развивается деменция, шаги их передних лап становятся короче, причем эта связь не зависит от хронической боли в суставах.
Вы попытались написать запрещенную фразу или вас забанили за частые нарушения.
Понятно
Что-то в вашем комментарии показалось подозрительным, поэтому перед публикацией он пройдет модерацию.
Понятно
Из-за нарушений правил сайта на ваш аккаунт были наложены ограничения. Если это ошибка, напишите нам.
Понятно
Наши фильтры обнаружили в ваших действиях признаки накрутки. Отдохните немного и вернитесь к нам позже.
Понятно
Мы скоро изучим заявку и свяжемся с Вами по указанной почте в случае положительного исхода. Спасибо за интерес к проекту.
Понятно