Американские ученые создали из целлюлозы эффективную мембрану для очистки соленой воды методом мембранной дистилляции. Природная структура волокон и гидрофобизированная поверхность позволили добиться высоких значений проницаемости пара до 1,5 килограмм на метр в секунду на кельвин на Паскаль и в то же время низких значений теплопроводности в четыре сотых Ватт на метр на кельвин.

Дальнейшее развитие технологии, оптимизация размеров пор и толщины мембраны позволят улучшить устройства для дистилляции воды. Исследование опубликовано в Science Advances.

Изменение климата и высокие темпы урбанизации уже привели к тому, что около половины населения Земли живут в регионах с дефицитом пресной воды на протяжении минимум одного месяца в год. Обессоливание морской, солоноватой воды или некоторых сточных вод могло бы частично решить эту проблему.

Одним из современных методов очистки воды является мембранная дистилляция — разделение происходит за счет разницы в температуре и давлении пара. Вода испаряется на горячей стороне ячейки, а пар проходит сквозь гидрофобную мембрану и конденсируется на холодной стороне ячейки. Так как обычно температура исходного раствора не выше 80 градусов Цельсия, а конденсата — не ниже двадцати, такое устройство не требует большого количества энергии для работы. Движение пара от горячей к холодной части осуществляется за счет конвекции.

Но у такой системы есть и очевидный минус — проходя через мембрану, пар частично передает тепло материалу и сглаживает различие температур, что негативно влияет на термическую эффективность — важный параметр мембранной дистилляции, определяемый как конвекционный поток через мембрану поделенный на суммарный поток тепла. Поэтому важно, чтобы мембрана обладала низкой теплопроводностью. Идеальная мембрана также должна быть прочной, дешевой, экологичной, достаточно тонкой и иметь крупные многочисленные поры.

В 2016 году ученые представили мембрану из аэрогеля из наноцеллюлозы с пористостью более 98 процентов и низкой теплопроводностью, менее трех сотых Ватт на метр на кельвин. Статья подтвердила возможность создания мембран для дистилляции из натуральных материалов, однако в основном они полимерные.

В новой работе Дяньсюнь Хоу (Dianxun Hou) с коллегами из Колорадского университета в Боулдере создали из древесины прочную гидрофобную мембрану для дистилляции, проверили ее физические свойства и сравнили их с коммерчески доступными синтетическими аналогами.

Как и в производстве бумаги, из древесины удалили лигнин и гемицеллюлозу, которые придают жесткость, однако, чтобы сохранить целостность волокон и природную микроструктуру целлюлозы, авторы работы воздействовали на пластинки раствором щелочи и сульфита натрия без измельчения. Затем материал отбеливали перекисью водорода и мягко сушили методом лиофилизации — замораживанием смеси и сублимацией растворителя. Для того, чтобы водяной пар, проходя через мембрану, на ней не задерживался, химики модифицировали поверхность мембраны гидрофобными фтороуглеродными группами.

Схематическое изображение мембраны и процессов, которые в ней происходят при мембранной дистилляции. / Dianxun Hou et al. / Science Advances, 2019

Новые материалы из древесины обладали высокой внутренней проницаемостью (около 1,5 килограмм в секунду на метр на кельвин на Паскаль), что обеспечило хорошую конвекцию, и низкой теплопроводностью в четыре сотых Ватт на метр на кельвин, что предотвратило потерю градиента температур.

Пористость полученных пластинок оказалась около 90 процентов, в то время как у современных коммерчески доступных аналогов это значение не превышает 85 процентов, а размеры пор новой мембраны достигали трех десятых микрометра.

Исследование краевого угла смачивания показали, что новая мембрана менее склонна образовывать межмолекулярные связи с водой, чем полимерные аналоги. Эффективность переноса тепла также оказалась весьма высокой: при температуре нагрева 60 градусов Цельсия ее значение оказалось выше семидесяти процентов, одним из самых высоких среди подобных мембран.

Более того, по словам авторов, анизотропная (направленная вдоль плоскости мембраны) структура позволяла теплу распространяться по всей мембране, поддерживая температурный градиент и ускоряя поток, однако это предположение требует дальнейших исследований.

Другим методом дистилляции является испарение воды за счет солнечной энергии. Около года назад группа американских ученых представила пористый гидрогель, способный поглощать большую часть солнечного света и испарять воду, получая таким образом до 3,2 килограмм пара с одного квадратного метра поверхности в час. А еще годом ранее американские ученые сконструировали готовый к коммерческому производству и работающий на энергии солнца опреснитель воды, действие которого основано на впитывании раствора бумагой, пропитанной сажей, выпариванием воды и ее конденсацией.

Автор: Алина Кротова