Безопасность воды является одной из важнейших задач современного общества, и по этой причине необходимо разрабатывать эффективные и энергосберегающие технологии очистки воды.
Нанофильтрация (NF) — это новая мембранная технология, работающая под давлением, которая удаляет многовалентные ионы и низкомолекулярные органические вещества с низким энергопотреблением и широко используется в производстве питьевой воды, муниципальном водоснабжении и очистке промышленных сточных вод.
Полиамидные нанофильтрационные мембраны являются ведущим продуктом на рынке с конца 1970-х годов. Их тонкопленочная композитная структура состоит из пористой основы и двумерного (2D) полиамидного слоя, который обладает превосходной селективностью проникновения. Однако, несмотря на определенный прогресс, достигнутый за счет усовершенствования конструкции мономеров, нанокомпозитов и производственных процессов, водопроницаемость полиамидных мембран все еще относительно низка, что ограничивает их более широкое промышленное применение.
В последние годы новые конструкции, такие как наноразмерные структуры Тьюринга и морщинистые поверхности, расширили область фильтрации, но по сути они представляют собой эволюцию 2D-мембран. В будущем необходимо разработать новые революционные структуры для дальнейшего улучшения характеристик разделения, одновременно глубоко понимая взаимосвязь между обработкой и структурой, чтобы обеспечить инновационные решения в области очистки воды.
Здесь Ву Чуньруй, исследователь из Тяньцзиньского политехнического университета, сообщил о получении полиамидной мембраны смешанного размера большой площади путем быстрой самосборки двух небольших молекул на границе раздела масло-вода при комнатной температуре.
Мембрана имеет уникальную иерархическую структуру, состоящую из одномерных нанотрубок, выращенных на поверхности двумерной наномембраны. Эта инновационная структура значительно увеличивает эффективную площадь переноса воды на единицу проектируемой площади, благодаря чему эффективность разделения воды и солей мембраны намного превосходит самые современные мембранные материалы, доступные в настоящее время.
С помощью контрольных экспериментов в сочетании с молекулярно-динамическим моделированием авторы обнаружили, что две молекулы мономера самопроизвольно организуются в двумерную сеть нанопор в начале реакции, а рост нанотрубок вверх обусловлен капиллярным действием внутри нанопор.
Рисунок: Принципиальная схема смешанной полиамидной мембраны со структурой NoN в сравнении с плоской двумерной полиамидной мембраной.
Это исследование дает ценную информацию о том, как межфазные физические и химические взаимодействия самоорганизуют молекулы в крупномасштабные сложные иерархические наноструктуры в условиях окружающей среды, и открывает новые пути для разработки масштабируемых многомерных мембран для очистки воды. Соответствующие результаты были опубликованы в журнале Nature Water под названием «Межфазная самоорганизация полиамидных мембран смешанного размера большой площади для быстрой водной нанофильтрации», первым автором выступил Си-Хуа Лю.
Резюме: Здесь мы успешно применили подход межфазной поликонденсации для крупномасштабного изготовления полиамидных мембран смешанных размеров за один этап. Уникальная архитектура NoN открывает путь к созданию энергоэффективных NF-мембран, которые обладают превосходной водопроницаемостью и водно-солевой селективностью. Этот производственный процесс можно легко масштабировать с использованием рулонного покрытия, и он имеет многообещающее практическое применение в производстве питьевой воды, а также в очистке городских и промышленных сточных вод. Теоретические открытия, полученные в результате этой работы, раскрывают сложность межфазной поликонденсации, особенно при использовании взаимодействия между межфазными физическими и химическими взаимодействиями. Авторы полагают, что эти результаты вдохновляют на разработку передовых технологий нанопроизводства для обеспечения безопасности воды.