Сайт о нанотехнологиях #1 в РоссииНанотехнологии и опреснение морской воды
Нанотехнологии на службе опреснения морской воды
Традиционные технологии опреснения морской воды очень энергоемки, поэтому немецкие ученые работают над совершенствованием более экономичного метода на основе обратного осмоса
.
Как известно, многие регионы мира испытывают острый дефицит пресной воды. Один из путей его преодоления – опреснение воды морской. Беда лишь в том, что традиционно используемая для этого технология дистилляции, то есть, проще говоря, выпаривание и конденсация, чрезвычайно энергоемка. Именно это обстоятельство и побуждает инженеров работать над совершенствованием альтернативных методов опреснения воды.
- Наиболее перспективной считается технология на основе так называемого обратного осмоса. Речь идет о подаче раствора, в данном случае морской воды, под давлением на специальную полупроницаемую мембрану, которая пропускает растворитель, то есть воду, и задерживает растворенное вещество, то есть морскую соль. В последние годы наиболее активно разработка таких специальных мембран ведется в Научно-исследовательском центре GKSS в городке Гестхахт на севере Германии. Здесь, в Институте изучения полимеров, уже давно разрабатывают мембраны самого разного назначения – для очистки сточных вод, для фильтрации выбрасываемых в атмосферу промышленных газов, для опреснения морской воды.
«Вот эти последние мы и пытаемся усовершенствовать», – говорит профессор Клаус-Виктор Пайнеман (Klaus-Viktor Peinemann).
Толщина самой фильтрующей мембраны составляет всего 0,1 микрометра – это в сто раз тоньше человеческого волоса. Однако она должна выдерживать давление в 70, а то и 80 бар. Это возможно только при наличии специальной опорной структуры. Поэтому стандартная пленка для установок опреснения морской воды представляет собой нечто вроде трехслойного сэндвича: нижний слой – ткань с крупными порами, следующий слой – микропористая ткань с порами в полмикрометра, и лишь затем – сверху – полимерная фильтрующая мембрана.
Мембрана, утыканная нанотрубками
Обратный осмос в действии
- Установки на основе технологии обратного осмоса успешно функционируют, обеспечивая десятикратную экономию энергии по сравнению с технологией дистилляции. Правда, у ученых до сих пор нет единого мнения относительно механизма проникновения воды сквозь фильтрующую мембрану, однако большинство склоняется сегодня к тому, что вода просто диффундирует сквозь полимерный материал мембраны. Это и навело профессора Пайнемана на идею интегрировать в мембрану мельчайшие поры, столь тонкие, что они пропускали бы молекулы воды, но задерживали более крупные молекулы соли.
По словам ученого, для этой цели оптимально подходят так называемые углеродные нанотрубки – миниатюрные пустотелые цилиндрические структуры из чистого углерода. Внутренний диаметр нанотрубок, предназначенных для интеграции в фильтрующую мембрану, не должен превышать 1 нанометра – это в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса, – иначе сквозь них проскользнут и молекулы соли.
Расчеты показывают, что мембрана, густо усеянная такими миниатюрными капиллярами, теоретически способна обеспечить весьма значительное – от десяти- до стократного – увеличение скорости опреснения воды. Правда, эти расчеты пока не получили экспериментального подтверждения, – признается профессор Пайнеман: «До сих пор мы смогли в лаборатории получить лишь крохотные образцы такой наномембраны. Но те немногие измерения, которые нам все же удалось на них провести, говорят о реалистичности таких расчетных оценок».
Хаос дешевле порядка
.
Научно-исследовательский центр GKSS в Гестхахте
Впрочем, на пути к серийному изделию разработчикам предстоит преодолеть еще немало трудностей. Во-первых, однослойные нанотрубки с указанными выше параметрами обходятся пока довольно дорого. Во-вторых, до сих пор никто не смог предложить эффективный метод интеграции миллионов нанотрубок в полимерную мембрану. Американские и австралийские исследователи, работающие в этом направлении, не жалеют сил на то, чтобы расположить нанотрубки в мембране строго упорядоченно, параллельно друг к другу и перпендикулярно к поверхности мембраны.
Профессор Пайнеман выбрал иной подход:
«Поскольку толщина мембраны примерно 0,1 микрометра, а длина нанотрубок – 1–2 микрометра, мы просто добавляем как можно больше нанотрубок в полимер при производстве мембраны, ничуть не заботясь об их упорядочении. Ведь даже при самом хаотичном расположении нанотрубок окажется немало таких, которые протыкают мембрану насквозь, так что одно отверстие трубки находится по одну сторону мембраны, а второе – по другую. Этого должно быть достаточно».
Новый проект – новые партнеры
Пока профессору Пайнеману и его коллегам удалось таким методом повысить пропускную способность стандартной мембраны лишь на 40–50 процентов. Это хоть и немало, однако очень далеко от расчетных показателей. К тому же при этом слегка снизилась и эффективность опреснения – с 98 до 95 процентов. Так что о подлинном прорыве говорить пока рано. Но зато исследования, начатые пять лет назад в рамках недавно завершившегося европейского проекта NanoMemPro, ведутся теперь в рамках нового проекта CarboMembran, к которому подключились химический концерн Bayer – один из крупнейших производителей углеродных нанотрубок, – многопрофильный технологический концерн Siemens, а также Рейнско-Вестфальская высшая техническая школа в Ахене. А это уже внушает надежды на скорый успех.
Владимир Фрадкин
- nikst's блог
- Войдите на сайт для отправки комментариев
Уважаемый Nikst диаметр пор лавсановых мембранах компании «Трекпор технолоджи» от 0,1 до 5,0 мкм, тогда как диаметр молекулы воды ~ 0,3 нм, а растворных в воде солей чуть больше, т.е. отличие в 1000 раз. По этой причине опреснения (разделения) не будет. Другой вопрос, что диаметр углеродных трубок (по литературным сведениям), тоже слишком велик для процесса опреснения – больше 2 нм. В обсуждаемой статье это подтверждается тем обстоятельством, что с повышением производительности (включением в работу большего числа трубок), разделение ухудшается. Лучшими для разделения малых молекул являются каналы цеолитов, их «окна» как раз находятся в нужном диапазоне размеров. Но создание цеолитовых мембран – это другая задача, см. http://www.nanonewsnet.ru/…nykh-membran.
Автор комментария выше: Роман Алексеевич Денисов
Ага, спасибо большое уважаемый Роман Алексеевич! Прошу простить моё (невольное) невежество… С другой стороны, это хорошо, что среди нас имеются такие специалисты, как Вы.
Может быть, Вы написали бы обо всём об этом на нашем сайте/блоге или дали бы ссылку на какую-нибудь ещё (более «свежую») публикацию по данному вопросу? Чтобы мы могли привлечь «более широкое» внимание к этому вопросу – с тем чтобы эти идеи дошли и до наших немецких коллег… Жалко ведь их – работают, работают, а результат (негативный) предрешён… ;-)))
В этой статье также демонстрируется организация научных исследований «у них». Тема существует только 5 лет. За это время проведены теоретические изыскания, сформирована и приступила к экспериментам исследовательская группа. Конкретных обнадёживающих результатов пока нет, но проект уже получил поддержку солидных брендов. Т.е. интересные и перспективные проекты выявляются ещё на стадии зарождения, так сказать – «обнаружение на дальних подступах». В данном случае, если будет создана производительная мембрана, откроются перспективы промышленного опреснения морской воды, далее следует её транспортировка от любых точек побережья в глубь материков по трубопроводам. Что, в частности, означает новое сельское хозяйство и новую жизнь для засушливых, но богатых солнцем регионов, которых на Земле много и… они пустынны. Это грандиозный проект, но, в качестве сравнения подходов, очень сомнительно, что на данной стадии развития он мог бы получить поддержку в России, где официально ставка делается только на проекты готовые к коммерциализации, так сказать, действует «обнаружение на ближних подступах». Отсюда понятно, что все стоящие проекты будут у тех, кто «охотится на дальних подступах».
Р.А. Денисов.
Уважаемый Nikst, в описываемой схеме, в одну ступень они пресную воду не получат. Думаю, что это и не предполагается. Или каким-то образом, что более вероятно, должны будут сужать внутренний пропускной диаметр трубок, приближая его к размеру молекулы воды. Например, на вскидку, посредством атомов полимера, частично вдвинутых внутрь трубки через ячейки боковой сетки. Или используют для этой цели, что-то другое. В статье изложена только центральная идея – использования трубок, как каркаса канала в полимере. А что будет представлять, собственно, сам канал, об этом ни слова – know-how. Варианты продвижения у них есть,к тому же молекулярные сита – это технологии с большим будущим.
Р.А. Денисов.
Уважаемые господа! Обратной осмос работает не по ситовому эффекту. Ионы солей имеют значительно меньшие размеры, чем молекулы воды.А размеры пор – в три – пять раз больше молекулы воды. Селективность мембран тем выше, чем меньше радиус иона и выше его заряд. В обратном осмосе, имеющем движущую силу в виде разницы давлений по разные стороны мембраны, работают поверхностные силы электрической природы. Граница раздела фаз всегда заряжена (правило Квинке). Диполь воды, двигаясь в область поверхности поры и испытывая, допустим противодействие этих электрических сил, просто разворачивается другим концом и относительно свободно проникает сквозь пору. Ионы, растворенные в воде, имеют свои противоионы, т.е. между ними действуют электростатические силы взаимодействия. Ион, двигающийся в направлении поры, взаимодействует с ПЕРЕМЕННЫМ электрическим полем поверхности раздела фаз (мембрана+связанный слой воды). Поле переменное потому, что пора имеет кривизну поверхности. Если ион имеет одинаковый заряд с зарядом поверхности, то он выталкивается (физика 1-го курса института). Если заряды разноименные, то он пытается втянуться в пору. В этот момент его «товарищи» – противоионы за него борятся, не отпуская его отдельно без спутника. Таким образом, пора – как потенциальный барьер, представляет для ионов большую преграду, нежели для воды. Размеры обратноосмотических пор составляют около 5 –10 ангстрем, ионы – на порядок меньше. Наиболее близка к истине модель Глюкауфа. Но он применял законы термодинамики, опирающиеся на макро-характеристики. Если подойти с точки зрения микромоделирования, то открываются интересные выводы и объясняются некоторые исключения, например, почему бораты и нитраты имеют низкую селективность.