Ученые CSU раскрывают ключевые идеи технологии очистки воды

Энн Мэннинг

Слева представлена ​​омнифобная мембрана, а справа — обычная гидрофобная мембрана с увеличенной площадью поверхности раздела вода-воздух (зеленые линии). Фото: Лаборатория Кота.

Поскольку нехватка воды является критической проблемой во всем мире, ученые и инженеры ищут новые способы сбора очищенной воды из нетрадиционных источников, таких как морская вода или даже сточные воды.

Одним из таких исследователей является Тиечжэн Тонг, доцент кафедры гражданского и экологического строительства, чья лаборатория изучает новую технологию, называемую мембранной дистилляцией.

Мембранная дистилляция включает в себя тонкую водоотталкивающую мембрану, которая использует разницу давлений паров между более горячей нечистой жидкостью, называемой «питательной водой», и более холодной очищенной водой, называемой «пермеатом». В ходе процесса водяной пар проходит через мембрану и отделяется от соленой или грязной питательной воды. По словам Тонга, мембранная дистилляция работает лучше, чем другие технологии, такие как обратный осмос, которые не могут очищать чрезвычайно соленую воду, например, опресненные рассолы или добываемую воду в результате гидроразрыва пласта.

Мембранная дистилляция, хотя и многообещающая, не работает идеально. Ключевой задачей является разработка мембран для эффективной очистки воды, обеспечивающей нулевое загрязнение чистой воды.

Тонг и ученый-материаловед Арун Кота из факультета машиностроения объединили усилия, чтобы изучить фундаментальную науку, лежащую в основе разработки этой идеальной мембраны. В новых экспериментах, которые они описывают в Nature Communications, инженеры CSU предлагают новую информацию о том, почему определенные конструкции мембран, используемые в мембранной дистилляции, работают лучше, чем другие.

«Фундаментальные знания, полученные в нашей статье, улучшают понимание механизма переноса водяного пара внутри микропористых подложек и могут стать основой для будущей разработки мембран, используемых в мембранной дистилляции», — сказал Тонг.

При мембранной дистилляции питательная вода нагревается, разделяя чистые и нечистые компоненты за счет разницы в летучести. Микропористая мембрана является ключевым компонентом установки, поскольку она пропускает водяной пар, но не всю нечистую жидкость. Обычно мембрана изготавливается из «гидрофобного» или водоотталкивающего материала, пропускающего только водяной пар, но сохраняющего барьер для питательной воды.

Однако эти гидрофобные мембраны могут выйти из строя, поскольку питательная вода, такая как вода, добываемая из сланцевой нефти, может иметь низкое поверхностное натяжение. Такое низкое поверхностное натяжение позволяет питательной воде просачиваться через поры мембраны, загрязняя чистую воду на другой стороне – явление, называемое смачиванием мембраны.

Предыдущие исследования показали, что использование «омнифобных» мембран – мембран, которые отталкивают все жидкости, включая воду и жидкости с низким поверхностным натяжением – сохраняет разделение пара/воды нетронутым. Но омнифобные мембраны обычно замедляют скорость и количество водяного пара, проходящего через мембрану, что резко снижает эффективность всего процесса.

Исследователи из CSU решили выяснить, почему существует такой компромисс между гидрофобными и омнифобными мембранами. Путем систематических экспериментов в лаборатории под руководством постдокторанта Вэй Вана из лаборатории Коты и аспиранта Тонга Сюэвэя Ду они обнаружили, что обычные гидрофобные мембраны создают большую площадь границы раздела жидкость-пар. Это увеличивает количество происходящего испарения. С омнифобными мембранами они увидели гораздо меньшую границу раздела жидкость-пар. Это объясняет разницу в характеристиках мембран.

Использованные в экспериментах омнифобные мембраны были изготовлены без нанесения дополнительных частиц. Таким образом, исследователи смогли определить, что их наблюдения не были результатом структурных изменений мембран.

Поперечное сечение обычной гидрофобной мембраны, используемой при мембранной дистилляции. Синий представляет воду. Фото: лаборатории Тонг и Кота.

Хотя они не предложили решения этого компромисса, их идеи раскрывают основную проблему, связанную с превращением мембранной дистилляции в успешную технологию. «Если вы досконально понимаете проблему, то есть возможности для ее решения», — сказал Кота. «Мы определили механизм; теперь нам нужно решить проблему компромисса».