Учёные обнаружили, что мембраны для опреснения воды в сухом и влажном состоянии сильно отличаются
Репрезентативная 3D-наноструктура (A) гидратированной мембраны SW30 и (B) гидратированной мембраны BW30, демонстрирующая явные гребне-впадинные структуры на верхней поверхности и более гладкую нижнюю поверхность. Масштаб: 500 нм. Автор: ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c01190
Совместное исследование учёных из Техниона (Израильский технологический институт) и Техасского университета в Остине проливает новый свет на структуру мембран, используемых для опреснения воды. Опубликованное в журнале ACS Nano, это исследование было выбрано для обложки журнала.
В отличие от предыдущих работ, которые фокусировались на характеристике мембран в сухом состоянии, данное исследование также проанализировало их во влажном состоянии — и обнаружило разительные различия между этими двумя состояниями. Эти различия влияют на производительность мембраны, что делает открытие крайне важным для разработки более эффективных мембран для опреснения и очистки воды.
Исследование возглавили доктор Тамар Сегал-Перец с факультета химической инженерии им. Вулфсона, доктор Гай Рамон с факультета гражданского и экологического строительства и профессор Маниш Кумар из Техасского университета в Остине, вместе с аспирантом Чэньхао Яо (Техасский университет) и доктором Ади Бен-Цви, которая проводила исследование во время своей докторской программы в области нанонауки и нанотехнологий в Технионе. Доктор Бен-Цви сейчас является постдокторантом в Университете Райса в Хьюстоне, Техас.
Согласно данным Всемирной организации здравоохранения, примерно четверть мирового населения не имеет доступа к безопасной питьевой воде. Чистая вода входит в число 17 Целей устойчивого развития (ЦУР) ООН, что делает технологии опреснения и повторного использования воды особенно важными — особенно в засушливых регионах, таких как Израиль, являющийся мировым лидером в обеих областях. Сегодня пять израильских опреснительных установок обеспечивают примерно 70% бытового водоснабжения страны. Кроме того, около 85% её сточных вод очищается и повторно используется для сельскохозяйственных целей.
Обратный осмос в настоящее время является наиболее распространённой технологией опреснения. Если говорить упрощённо, процесс заключается в прохождении воды через мембрану, которая задерживает соли и другие примеси. При естественном осмосе вода течёт из разбавленного раствора в более концентрированный до выравнивания концентраций.
Напротив, обратный осмос меняет этот поток с использованием энергии, направляя воду из концентрированного раствора (например, морской воды) в разбавленный (опреснённая вода). Этот процесс позволяет производить пресную воду из нетрадиционных источников, таких как морская вода, солоноватая вода и сточные воды.
Хотя мембраны обратного осмоса являются центральным элементом современного опреснения, значительные пробелы в знаниях остаются в отношении связи между структурой мембраны и её функцией. Проблема проистекает из чрезвычайно тонкой (примерно 200 нанометров) и сложной 3D-структуры мембран, которую трудно охарактеризовать традиционными методами, такими как атомно-силовая микроскопия (АСМ).
В этом исследовании учёные провели высокоразрешающее 3D-картографирование морфологии мембраны в состоянии, насыщенном водой — условиях, которые близко имитируют условия реальных процессов обратного осмоса. 3D-характеризация выполнялась с помощью криогенной томографии просвечивающей электронной микроскопии (крио-ТПЭМ) в условиях, когда мембрана полностью гидратирована и заморожена.
Команда обнаружила, что вода кардинально меняет структуру мембраны, вызывая увеличение её объёма примерно на 30% или более. Поскольку ранее характеристика мембран с помощью ТЭМ основывалась только на их сухом состоянии, это является крупным научным и практическим прорывом. Ожидается, что новое нанометрическое картографирование значительно улучшит будущий дизайн и производительность мембран, продвигая технологии опреснения и повторного использования воды вперёд.
Больше информации: Chenhao Yao et al, 3D Nanoscale Structures of Hydrated Polyamide Desalination Membranes Revealed by Cryogenic Transmission Electron Microscopy Tomography, ACS Nano (2025). DOI: 10.1021/acsnano.5c01190
0 комментариев