Российские ученые улучшили мембраны для очистки воды с помощью ионов металлов

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.

НИУ ВШЭ

373 статей

Национальный исследовательский университет «Высшая школа экономики» — один из крупнейших и самых востребованных вузов России. В университете учится 54 тысячи студентов и работает почти 4,5 тысячи учёных и преподавателей. НИУ ВШЭ ведёт фундаментальные и прикладные исследования в области социально-экономических, гуманитарных, юридических, инженерных, компьютерных, физико-математических наук, а также креативных индустрий. В университете действуют 47 центров превосходства, или международных лабораторий. Вышка объединяет ведущих мировых исследователей в области изучения мозга, нейротехнологий, биоинформатики и искусственного интеллекта. Университет входит в первую группу программы «Приоритет-2030» в направлении «Исследовательское лидерство». Кампусы НИУ ВШЭ расположены в четырех городах — Москве, Санкт-Петербурге, Нижнем Новгороде и Перми, а также в цифровом пространстве — «Вышка Онлайн».

Показать больше