Простой метод связывания загрязнителей в воде

Новые типы мембранных адсорберов удаляют из воды нежелательные частицы, а также, одновременно, растворённые вещества, такие как гормонально активный бисфенол А или токсичный свинец. Для этого исследователи из Института межфазной инженерии и биотехнологии им. Фраунгофера (IGB) встраивают селективные адсорбирующие частицы в фильтрационные мембраны.

Европейское агентство по безопасности продуктов питания (EFSA) лишь в январе 2015 года снизило пороговое значение для бисфенола А в упаковке. Этот гормонально активный массовый химикат является, среди прочего, основным материалом для поликарбоната, из которого производятся, например, компакт-диски, пластиковая посуда или линзы для очков. Из-за своей химической структуры бисфенол А не полностью разлагается на биологических стадиях очистных сооружений и попадает в реки и озёра.

Активированный уголь или адсорбирующие материалы уже используются для удаления химикатов, антибиотиков или тяжёлых металлов из сточных или технологических вод. Однако недостатком этих высокопористых материалов является длительное время контакта, необходимое загрязнителям для диффузии в поры. Чтобы как можно больше вредных веществ было уловлено даже за меньшее время, очистные сооружения используют большие количества адсорберов в соответствующих крупных резервуарах. Однако активированный уголь можно регенерировать только с высокими затратами энергии, что в большинстве случаев приводит к необходимости утилизации больших количеств материала, загрязнённого поллютантами.

Кроме того, мембранная фильтрация с использованием нанофильтрационных или обратноосмотических мембран, которые могут удалять загрязняющие вещества, ещё не является рентабельной для удаления растворённых молекул из больших объёмов потоков, таких как технологические или сточные воды. Мембраны фильтруют воду через свои поры при создании давления с одной стороны мембраны, задерживая таким образом более крупные молекулы и твёрдые частицы. Но чем меньше поры мембраны, тем выше давление — и, следовательно, больше энергии — требуется для отделения веществ от воды.

Мембранные адсорберы — фильтрация и связывание в один шаг

Исследователи выбрали новый подход, сочетающий преимущества обоих методов. При изготовлении мембран они добавляют мелкие полимерные адсорбирующие частицы. Полученные мембранные адсорберы могут — в дополнение к своей фильтрующей функции — адсорбционно связывать вещества, растворённые в воде. «Мы используем пористую структуру мембраны, расположенную под разделительным слоем. Породы имеют высокоудельную поверхность, чтобы можно было встроить как можно больше частиц, а также обеспечивают оптимальную доступность», — говорит д-р Томас Шистель, руководитель рабочей группы «Неорганические границы раздела и мембраны» в Fraunhofer IGB.

«В отличие от обычных адсорберов, наши мембранные адсорберы транспортируют загрязнители конвективно. Это означает, что при быстром протекании воды через поры мембраны достаточно времени контакта, длящегося всего несколько секунд, чтобы адсорбировать загрязнители на поверхности частиц», — говорит учёный. До 40% веса мембранных адсорберов приходится на частицы, поэтому их связывающая способность соответственно высока. В то же время мембранные адсорберы могут работать при низких давлениях. Поскольку мембраны можно упаковывать очень плотно, даже небольшие устройства могут обрабатывать очень большие объёмы воды.

Функциональные адсорбирующие частицы

Исследователи производят адсорбирующие частицы в одноэтапном, экономически эффективном процессе. В этом запатентованном процессе мономерные компоненты полимеризуются с помощью сшивающего агента с образованием полимерных глобул размером от 50 до 500 нанометров. «В зависимости от того, какие вещества необходимо удалить из воды, мы выбираем наиболее подходящий из множества мономеров с различными функциональными группами», — объясняет Шистель. Спектр здесь варьируется от пиридина, который является скорее гидрофобным, через катионные аммониевые соединения и включает анионные фосфонаты.

Селективное удаление загрязнителей и металлов

Исследователи смогли показать в различных тестах, что мембранные адсорберы очень избирательно удаляют загрязнители с помощью частиц, настроенных на конкретный загрязнитель. Например, мембранные адсорберы с пиридиновыми группами особенно хорошо связывают гидрофобный бисфенол А, тогда как адсорберы с аминогруппами адсорбируют отрицательно заряженную соль антибиотика пенициллина G.

«Различные адсорбирующие частицы можно даже комбинировать в одной мембране. Таким образом, мы можем удалить несколько микрозагрязнителей одновременно с помощью всего одного мембранного адсорбера», — указывает Шистель на ещё одно преимущество. Оснащённые различными функциональными группами, мембранные адсорберы также могут удалять из воды токсичные тяжёлые металлы, такие как свинец или мышьяк. Например, фосфонатные мембранные адсорберы адсорбируют более 5 граммов свинца на квадратный метр площади поверхности мембраны — на 40% больше, чем коммерчески доступный мембранный адсорбер.

Экономически эффективные и регенерируемые

Чтобы мембранные адсорберы можно было использовать несколько раз, адсорбированные загрязнители необходимо снова отделить от частиц в мембране. «Мембранные адсорберы для бисфенола А могут быть полностью регенерированы путём сдвига значения pH», — объясняет Шистель. Концентрированные загрязнители затем можно утилизировать экономически эффективно или разложить с помощью подходящих окислительных процессов.

Регенерируемость мембранных адсорберов также делает возможным дальнейшее применение: повторное использование извлечённых молекул. Это дополнительно делает технологию привлекательной для восстановления ценных драгоценных металлов или редкоземельных металлов.