 Ученые разработали ультратонкие, сверхпрочные мембраны для фильтрации жидкостей и газов, с потенциалом для сокращения потребления энергии в промышленности.
Мембраны представляют собой выборочно проницаемые барьеры, которые могут обеспечить фильтр для различных процессов, от удаления соли из морской воды в опреснительных установках, до фильтрации крови больных почек в диализных машинах. Процессы фильтрации с использованием мембран могут потенциально снизить потребление энергии по сравнению с другими методами разделения.
Тем не менее, многие отрасли промышленности используют методы испарения и дистилляции, а не мембраны, потому что мембраны могут быть дорогостоящими в масштабе, и они не устойчивы к органическим растворителям, используемых во многих промышленных перерабатывающих и химических процессах.
Но теперь исследователи из Имперского колледжа в Лондоне разработали прототип скрученной мембраны, которая имеет потенциал для широкого применения по всей отрасли. Прототип является чрезвычайно тонким - он занимает стек десяти тысяч мембран в соответствии с диаметром человеческого волоса - что делает его очень проницаемым. Он также является прочным и способен фильтровать органические жидкости при давлениях около 50 бар, что эквивалентно давлению на отметке 500 метров ниже поверхности океана. Мембрана является прочной и устойчивой к различным органическим растворителям.
Исследователи создали мембрану с наноразмерными скрутками и установили, что она обеспечивает увеличенную площадь поверхности для фильтрования веществ и остается сильной даже в экстремальных давлениях. Прототип имеет 80 миллиметров в диаметре, но команда уверена, что он может быть расширен до промышленных районов.
В конечном счете, исследователи полагают, что их прототип мембраны может быть использован для улучшения или полной замены производственных процессов, которые обрабатывают органические растворители, в настоящее время полагаясь на методы испарения и дистилляции. Примерно 30 процентов энергии в мире в настоящее время используется в промышленности, и существенная доля этой энергии используется в испарении и дистилляции. Эти отрасли могли бы совершить крупные сбережения энергии, если бы они использовали новые мембраны, с последующим сокращением выбросов углекислого газа.
Профессор Эндрю Ливингстон, соавтор исследования из кафедры химической технологии в Имперском колледже Лондона, говорит: «Мембраны используются в настоящее время для ряда важных задач, таких как создание фильтров для питьевой воды. Недостатком является то, что промышленность не в состоянии использовать мембраны более широко в органических жидких системах, потому что они имели ограничения в конструкции и цене. Наше исследование показывает, что мы можем преодолеть эти проблемы, которые могут сделать эти мембраны полезны для таких отраслей, как фармацевтика и переработка нефти. Энергетические и экологические выгоды могут быть огромными».
Доктор Каран Сантану, соавтор от Департамента химических технологий в Имперском колледже Лондона, добавил: «Теперь мы желаем еще более тесно сотрудничать с промышленностью для улучшения результативности наших мембран, чтобы они могли соответствовать их потребностям. Мы надеемся, что наша работа приведет к новому сотрудничеству и, в конечном счете, улучшит процессы разделения, используемые в промышленности».
Чтобы проверить эффективность мембраны в лаборатории, они смешивают раствора, содержащий растворитель, спирт, и окрашенные молекулы различных цветов и размеров. Затем они просачивают раствор через мембрану при высоких давлениях, чтобы увидеть, может ли она отфильтровать все, кроме спирта. Группа наблюдала за процессом с использованием устройства абсорбционной спектроскопии, которое использует свет на разных длинах волн, чтобы определить, какие молекулы проходят через мембрану. Они установили, что мембрана была полностью эффективной, и через нее проходил только спирт.
Затем исследователи сравнили смятую мембрану с обычной мембраной, проведя такой же эксперимент. Их целью было определить, как быстро их мембраны могут очистить и концентрировать раствор по сравнению с обычной моделью. Они обнаружили, что новая мембрана может отделить вещества в 400 раз быстрее, чем обычная мембраной.
Теперь ученые планируют далее развивать и оптимизировать технологию мембран, что бы она могла быть расширена для использования в таких отраслях, как фармацевтика, производство и переработка нефти.
|
