Графен: этот углерод может помочь в опреснении морской воды

В Британии команда исследователей создала сито на основе графена, которое способно отсеивать соли из морской воды, передает Joinfo.ua. со ссылкой на bbc.com.

Эта перспективная разработка может помочь миллионам людей, которые не имеют быстрого доступа к чистой питьевой воде.

Сито из оксида графена может оказаться особенно эффективным в очистке воды от солей, по сравнению с уже имеющимися мембранами для опреснения, и вскоре его начнут тестировать.

Ранее производить такие графеновые фильтры в промышленных масштабах было довольно сложно.

В статье для журнала Nature Nanotechnology ученые из Университета Манчестера под руководством доктора Рахула Наира показали, что им удалось преодолеть некоторые трудности с помощью использования производной химического соединения, которое называется оксид графена.

По данным которые собрал для ДжоинфоМедиа журналист, Оля Лекси, впервые выделить и описать графен удалось команде ученых из этого же университета в 2004 году. Графен состоит из одного слоя атомов углерода, организованных в решетки с шестигранными ячейками. Его особые свойства, такие как невероятная прочность на разрыв и электропроводность, сделали из этого материала перспективного кандидата для применения в будущих разработках.

Но производить графен доступными в настоящее время способами, такими как химическое осаждение из паровой фазы (ХОПФ), невероятно сложно. Кроме того, на сегодня это производство обходится дорого.

При этом, как говорит доктор Наир, "Оксид графена можно изготовить простым окислением в лаборатории".

"Как один из вариантов мы можем наложить его на подложку или пористый материал. После использовать как мембрану. В плане масштабирования и стоимости материала оксид графена имеет потенциальное преимущество над однослойным графеном", рассказал Рахул Наир.

"Чтобы сделать его проницаемым, нужно сверлить мелкие дырочки в мембране. Но если их размер больше одного нанометра, кристаллики соли пройдут сквозь них. Нужно сделать мембрану с одинаковыми дырочками, меньше один нанометр, чтобы ее можно было применять для опреснения воды. Это невероятно сложная задача", добавил Рахул.

Мембраны из оксида графена уже доказали свою эффективность в отсеивании мелких наночастиц, органических молекул и даже солей с большими кристаллами. Но пока их не удавалось использовать для фильтрации обычных солей, которым нужны еще более мелкие сита.

Предыдущий опыт показал, что под действием воды мембраны из оксида графена несколько набухали, позволяя мелким солям проскакивать сквозь поры вместе с молекулами воды.

Теперь доктор Наир с коллегами показали, что этого расширения мембраны можно избежать, если закрепить с каждой ее стороны стенки из эпоксидной смолы (вещество, которое используют в материалах для покрытия и клеях).

Ограничив это набухание, ученые смогли также регулировать свойства мембраны, например, позволяя ей пропускать больше или меньше обычной соли.

Когда обычные соли растворяются в воде, они всегда создают вокруг своих молекул "оболочку" из молекул воды.

Это позволяет крохотным капиллярам мембран из оксида графена отсеивать соль, которая обычно проходит через сито вместе с потоком воды.

"Молекулы воды могут пройти сами, но хлористый натрий - нет. Ему всегда нужна помощь от молекул воды. Размер водной оболочки вокруг молекулы соли больше размера канала, поэтому соль не может проникнуть", объясняет доктор Наир.

Зато молекулы воды проходят сквозь мембранный барьер без задержек, что делает эту технологию идеальной для опреснения.

"Когда размер капилляров достигает где-то одного нанометра, что очень близко к размеру молекулы воды, то эти молекулы аккуратно выстраиваются во взаимосвязанную структуру, которая напоминает поезд", говорит доктор Наир.

"Это помогает воде двигаться быстрее: если подтолкнуть с одной стороны, все молекулы будут двигаться в другую сторону, потому что между ними существуют водородные связи. Добиться такого положения дел можно только в случае, если размер канала очень маленький", продолжает ученый.

ООН ожидает, что к 2025 году 14% населения мира столкнется с нехваткой питьевой воды. Под влиянием климатических изменений городские запасы воды сокращаются, тем временем богатые страны инвестируют в опреснительные технологии.

Заводы по опреснению, которые существуют сегодня по всему миру, используют мембраны на полимерных материалах.

"Это наша первая демонстрация того, что мы можем контролировать размер отверстий мембраны и проводить опреснения способом, который был невозможен ранее. Следующим шагом будет сравнить это с теми достижениями, которые есть на рынке", говорит доктор Наир.

В своей статье в Nature Nanotechnology, которая послужила комментарием к исследованию, Рам Деванатхан с Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории в Ричланде, США, написал, что нужно еще многое сделать, прежде чем мембраны из оксида графена можно будет производить недорого и в промышленных масштабах.

По его словам, ученым еще предстоит доказать устойчивость мембран под влиянием длительного контакта с морской водой и, чтобы мембраны не портились солями и биологическими материалами. Это означает, что фильтры нужно будет периодически чистить и менять.

Он также пишет, что новая технология "открывает двери синтеза недорогих мембран для дистилляции воды".

"Конечная цель - создать фильтрационный устройство, на выходе давать питьевую воду из соленой или сточной воды, расходуя при этом меньше энергии", - пишет ученый.

Ранее мы писали том что эксперимент связанный с графеном позволил получить уникальный суперпрочный шелк, ученые накормив шелкопрядов этим углеродом.