Как создать лучший фильтр для воды? Переверните его с ног на голову

Более 800 миллионов человек не имеют доступа к чистой и безопасной воде. Обратный осмос, например, может опреснять морскую воду, но процесс требует огромных затрат и большого количества энергии.

Новое исследование из лаборатории Чинендума Осужи описывает новый способ создания наноразмерных водяных фильтров, которые гибки, прочны и даже обладают антимикробными свойствами. Работа опубликована в Science Advances.

При проектировании нанофильтра инженеры обычно начинают с конструкции, напоминающей микроскопическое сито. Вода проходит через отдельные отверстия, удерживаемые твердым материалом вокруг них.

Группа Осужи, специализирующаяся на химии блок-сополимеров, обнаружила нечто неожиданное. Это привело их к «инверсии» стратегии дизайна: превращению «отверстий» сита в твердые волокна, оставляя ранее твердые части структуры открытыми.

Группа осознала, что материал состоит из сложной сети взаимосвязанных нитей или волокон, причем пространство между волокнами явно определено структурой молекулы, из которой состоит волокно. Кажущаяся случайной «топологическая взаимосвязанность» волокон удерживает структуру вместе, позволяя воде течь.

Используя этот новый «инвертированный» подход, группа создала и протестировала мембраны, объединив уникальные наноструктуры, разработанные Сюндой Фэном, с методами изготовления и характеризации, разработанными Кабусом Имраном и Ичжоу Чжаном.

«Исторически экспертиза группы заключалась в манипулировании и характеристике структуры материалов, и мы не знали, как перевести это в реальную работающую мембрану», — говорит Имран. — «У нас было доказательство концепции, но потребовалось время, чтобы воплотить его в реальность».

Материал, по составу схожий с полимерами, ранее использовавшимися в жестких контактных линзах, также был модифицирован поперечными связями между отдельными волокнами для придания прочности. Полимер также включает химические структуры, придающие фильтру антимикробные свойства, что предотвращает засорение материала бактериями при очистке воды.

Группа сейчас изучает новые процессы для создания достаточно тонкого материала, чтобы он вписывался в существующий рабочий процесс нанофильтрации. Они также видят потенциал этого подхода для будущих применений за пределами водоочистки.

«В конце концов, это пористый материал с точно определенной структурой и универсальной химией поверхности, поэтому можно представить множество применений», — говорит Имран. — «Это может быть мембрана в топливном элементе или в батарее».

Для Чжана важность их последнего исследования заключается в новом понимании самого материала, полученном в процессе его характеристики. «Это новая наноструктура для мембран, и захватывающе то, что мы предложили и продемонстрировали ее полезность. Это также интересно, потому что структуру можно использовать в приложениях, выходящих за рамки нанофильтрации».

Осужи также надеется, что их уникальный инвертированный подход найдет применение в будущем. «При первом рассмотрении это неожиданная идея — создавать мембраны таким способом. Как только вы это понимаете, вы можете просто изменить химию, нацелиться на разные приложения, поэтому я надеюсь, что другие последуют этому подходу».

Что касается очистки воды, Осужи надеется на более широкое внедрение нанофильтрации как способа удаления вредных химических веществ без затрат, связанных с другими методами. «Обратный осмос высокоразвит и очень эффективен для удаления почти всех загрязнителей, но есть области, где он не рентабелен, например, очистка солоноватой воды, промышленных сточных вод или умягчение воды. Существует возможность внедрения этих новых мембран в эти области».