Новая мембрана с нанометровыми порами в десять раз эффективнее очищает воду

Ультраточные «POMbranes» отсеивают крупные молекулы (красные), пропуская только частицы размером 1 нанометр (зеленые), обеспечивая точную молекулярную сортировку. Источник: Central Salt and Marine Chemical Research Institute, Gujarat, India

Международная группа ученых из Индии, Сингапура и США разработала новый тип высокоточных фильтрующих мембран, которые могут кардинально изменить подход к очистке воды и промышленным процессам разделения. Исследование опубликовано в Journal of the American Chemical Society.

Промышленные процессы разделения веществ, такие как очистка лекарств, обработка текстильных красителей и производство продуктов питания, потребляют от 40% до 50% всей энергии в мировом производстве. Традиционные методы, включая дистилляцию и выпаривание, эффективны, но требуют огромных затрат энергии и ведут к выбросам углерода. Мембранная фильтрация считается более чистой альтернативой, однако обычные полимерные мембраны имеют поры неравномерного размера, которые со временем деформируются, снижая производительность.

Чтобы решить эту проблему, ученые создали новый класс ультраселективных кристаллических мембран, названных «POMbranes». Эти мембраны содержат поры шириной около одного нанометра — в тысячи раз тоньше человеческого волоса. Вдохновением послужили биологические системы, такие как аквапорины, которые регулируют движение молекул через каналы точно заданного размера.

«Для достижения такого уровня контроля мы использовали кластеры полиоксометаллатов (POM). Каждый кластер имеет естественное отверстие шириной ровно 1 нанометр, которое остается постоянно стабильным», — объяснила доктор Шилпи Кушваха, старший научный сотрудник CSMCRI.

Исследовательница Приянка Добария, соавтор статьи, добавила: «Эти POM — крошечные короноподобные металлические кластеры с постоянным идеальным отверстием в центре, которое не меняет и не теряет форму. Это главное препятствие для традиционных пластиковых фильтров».

Для создания практичной мембраны потребовалось организовать миллиарды таких колец в непрерывный бездефектный слой. Ученые прикрепили к кластерам POM гибкие химические цепочки. Когда модифицированные кластеры помещали на воду, они естественным образом распространялись и самоорганизовывались в ультратонкую пленку большой площади. Изменяя длину цепочек, команда контролировала плотность упаковки кластеров.

«Это заставляло молекулы проходить через мембрану только по единственному открытому пути — однометровым отверстиям в каждом кластере, позволяя мембране работать как высокотехнологичное сито», — отметил доктор Рагхаван Ранганатан, доцент кафедры материаловедения IITGN.

Тесты показали, что мембраны способны различать молекулы, отличающиеся всего на 100-200 дальтон — уровень точности, крайне сложный для обычных полимерных мембран. По словам доктора Кетана Пателя, главного научного сотрудника CSMCRI, «наши мембраны демонстрируют почти в десять раз лучшую производительность разделения по сравнению с существующими технологиями, оставаясь при этом гибкими, стабильными и масштабируемыми».

Технология может быть особенно ценной для текстильной и фармацевтической промышленности Индии. Текстильный сектор страны вносит более 2,3% ВВП, а его внутренний рынок оценивается в $160-225 млрд (около 12,8-18 трлн рублей). Новые мембраны могут избирательно удалять молекулы красителей, позволяя повторно использовать воду, что снижает потребность в пресной воде и количество химических отходов.

В фармацевтике мембраны могут применяться для очистки лекарств и восстановления растворителей. «Высокоселективные мембраны, такие как эти, могут снизить энергопотребление, сохраняя при этом строгие стандарты, необходимые в фармацевтическом производстве», — отметил соавтор статьи Винай Тхакур.

Исследователи описывают POMbranes как универсальную платформенную технологию. Благодаря регулируемой структуре, высокой селективности и устойчивости к агрессивным химическим средам, они подходят для широкого спектра промышленных задач — от очистки сточных вод до передового химического производства. Применяя принцип, распространенный в биологии — точный контроль на молекулярном уровне — и адаптируя его в масштабируемую технологию материалов, ученые показали, как вдохновленный природой дизайн может помочь решить крупные промышленные проблемы.

Источники: sciencedaily.com