Американские исследователи установили, что мембраны на основе двумерных структур дисульфида молибдена могут оказаться более эффективными опреснителями морской воды, чем другие существующие аналоги. В своей работе, опубликованной в Nature Communications, авторы приводят результаты теоретического моделирования процесса фильтрации в зависимости от химического состава, размера и геометрии пор мембраны.

Область моделирования состояла из фрагмента мембраны с единственной порой, молекул воды, и графенового поршня, который эту воду должен был проталкивать сквозь пору. В ходе моделирования ученые рассчитывали зависимость степени опреснения воды от размера и геометрии пор, от давления воды в поршне и химических процессов,происходящих на границе поры.

Схематическое изображение области моделирования. Изображение: Mohammad Heiranian et al. / Nature Communications, 2015

Для дисульфида молибдена существует три различных варианта строения пор, в зависимости от того, какие из атомов преобладают – серы,молибдена или «смешанные». Авторы рассчитали поток жидкости через мембраны с разными видами пор как функцию давления и сравнили полученные кривые с аналогичными зависимостями для пор в монослое графена. Оказалось, что наиболее эффективным является сульфид молибдена (MoS₂) c «молибденовыми» порами. Авторы объясняют это геометрией строения и гидрофильностью-гидрофобностью составляющих атомов.

Из-за особенностей кристаллической структуры исходного материала «молибденовая» пора имеет форму песочных часов, узкая часть которых –обладающие гидрофильностью (то есть, «притягивающие» воду) атомы молибдена, а края – гидрофобные («отталкивающие») атомы серы. Когда молекулы воды приближаются к поре, они начинают «скользить» к притягивающему их молибденовому«перешейку», создавая в узкой части большую плотность воды и, тем самым,обеспечивая высокую скорость потока через мембрану. В случае «серной» поры все наоборот. Гидрофобные узкие ее части расположены на входе и выходе из отверстия,препятствуя продвижению воды.

Строение «молибденовой», «серной» и графеновой поры. Изображение: Mohammad Heiranian et al. / Nature Communications, 2015

Таким образом, оказалось, что от химической структуры границ поры существенно зависит пропускная способность мембраны. Однако на степень опреснения больше влияет размер отверстия, а не его химический состав. Так, для пор площадью меньше 18,02Ų эффективность фильтрации составляет 100 процентов вне зависимости от того, какой материал используется для создания пор. Но скорость потока через такую мембрану очень низкая – вода в узких порах образует цепочечные структуры за счет водородных связей, которые«перегораживают» отверстие. Поэтому перед исследователями стояла задача определить оптимальное соотношение размера поры и ее состава, чтобы обеспечить максимальную скорость потока при сохранении высокой эффективностью фильтрации.

Авторы установили, наилучшими по обеим характеристикам являются мембраны из MoS2 c «молибденовыми» порами площадью от 20до 60 Å². Их использование позволит увеличить скорость фильтрации от двух до пяти раз по сравнению с применяющимися в настоящее время цеолитными и полимерными мембранами, или на 70 процентов по сравнению с графеновыми. Несмотря на то, что данная работа носит чисто теоретический характер, она основывается на экспериментальных данных о строении и свойствах двумерных структур из дисульфида молибдена. Методы получения монослоев MoS2 и пористых мембран на их основе сравнительно просты и быстро совершенствуются, позволяя уже сейчас получать материалы лучшего качества, чем, например, графеновые аналоги.

В настоящее время существует огромное количество различных конкурирующих способов опреснения воды, но достаточно экономичного и универсального метода, подходящего для любых условий, так и не было найдено. Еще в XVI веке королева Англии Елизавета издала указ, действующий и в наше время,который устанавливает премию в 10000 фунтов стерлингов за создание достаточно эффективного и дешевого метода опреснения морской воды. Эта премия до сих пор хранится в английском казначействе, а, значит, так и не нашлось достойного ее изобретения.

Автор: Екатерина Митрофанова