Опресняющий и очищающий воду графеновый фильтр

Для изготовления фильтров, быстро очищающих воду и долгое время сохраняющих свои свойства, ряд ученых предполагают использовать графен. Этот тонкий, но прочный лист углерода может использоваться для изготовления ультратонких мембран, способных быстро очищать большие объемы воды от загрязнителей. Но на пути к широкому применению таких высокотехнологических мембран стоит одно значительное препятствие — изготовление мембран из листов графена толщиной всего в один слой атомов является процессом, требующим высокой точности. Тонкий материал может порваться, а через образовавшиеся разрывы проникнуть загрязнители. Сейчас инженеры нашли способ латать такие прорехи. Фильтры для воды получили в современном мире большое распространение.

Ресурсом SvienceDaily в заметке «Faster, more durable water filters: Plugging up leaky graphene» было рассказано об особенностях этого нового производственного процесса.

Уникальные свойства графена делают его потенциально идеальной мембраной для фильтрования и опреснения воды. Сейчас инженерами Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology, MIT), Окриджской национальной лаборатории (Oak Ridge National Laboratory) и Университета нефти и полезных ископаемых имени короля Фахда (King Fahd University of Petroleum and Minerals, KFUPM) был найден способ латать прорехи, заполняя их с использованием сочетания технологий химического осаждения и полимеризации. Команда инженеров использовала ранее разработанный процесс для создания в материале крошечных пор одинаковой формы, которые в достаточной степени малы для того, чтобы позволить проходить через них только воде.

Сочетание этих двух технологий позволило исследователям разработать графеновую мембрану без дефектов размером с мелкую монету. Размер мембраны имеет значение. Ведь чтобы использоваться в качестве фильтрующей мембраны, ширина графена должна измеряться в сантиметрах, как минимум.

В ходе эксперимента исследователи провели воду через графеновую мембрану, которую предварительно обработали, устранив дефекты и сформировав поры. И пришли к выводу, что вода соответствует нормам, характерным для используемых в настоящее время опресняющих мембран. Графен способен фильтровать более крупные молекулы загрязнителей, в том числе сульфата магния и декстрана.

Ассоциированный профессор Массачусетского технологического института Рохит Карник (Rohit Karnik) отметил, что результаты, достигнутые командой, были опубликованы в журнале «Nano Letters» и отражают первый успех в залатывании прорех в графене:

Мы способны устранять дефекты как минимум в масштабах лаборатории, чтобы осуществлять молекулярное фильтрование через поверхность графена макроскопического размера, что ранее было невозможно. Если мы будем располагать лучшим контролем за процессом, то, может быть, в будущем нам не потребуется устранять дефекты. Но я думаю, очень маловероятно, что мы когда-либо станем располагать превосходным графеном — всегда будет необходимость контролировать утечки. Эти две [технологии] являются примерами того, как обеспечить фильтрование.

Первым автором статьи является лаборант-исследователь Син О’Герн (Sean O’Hern), выпускник данного института. Среди авторов — студент-последипломник Дуджун Джанг (Doojoon Jang), бывший студент-последипломник Суман Боуз (Suman Bose) и профессор Джинг Конг (Jing Kong).

Син О’Герн уточняет особенности технологического процесса:

Существующие типы мембран, способных производить пресную воду из соленой, достаточно толстые, примерно 200 нанометров [в толщину]. Преимущество графеновой мембраны состоит в том, что вместо толщины в сотни нанометров она будет порядка трех ангстремов (стомиллионных долей сантиметра) — в 600 раз тоньше, чем существующие мембраны. Это позволит вам располагать повышенной скоростью потока при той же площади.

О’Герн и Карник исследовали потенциал графена в качестве материала фильтрующих мембран в течение нескольких недавних лет. В 2009 году команда начала делать мембраны из графена, нарощенного на медь — металл, который поддерживает рост графена на сравнительно большую площадь. Ведь для выращивания графена нужна основа — например, серебро. Разумеется, медь водонепроницаема, и ученым в процессе изготовления было необходимо перенести графен на пористую основу.

Разумеется, О’Герн отметил, что этот процесс переноса может создавать разрывы в графене. Более того, он наблюдал также дефекты, появляющиеся в графене в процессе выращивания. Их причиной стали, вероятно, загрязнения в исходном материале.

Сначала команда ученых устранила менее значительные дефекты, возникшие в процессе выращивания графена. Затем настала пора более значительных прорех, возникших при переносе. Для дефектов, возникших в процессе выращивания, исследователи применили процесс под названием «осаждение атомного слоя» («atomic layer deposition»), поместив графеновую мембрану в вакуумную емкость, а затем направив импульсы в содержащем гафний химическом соединении, которое обычно не взаимодействует с графеном. Если химическое соединение вступит в контакт с небольшим отверстием в графене, оно постарается закрыть это отверстие, притягиваясь энергией на поверхности.

Команда исследователей провела несколько циклов осаждения атомного слоя, обнаружив, что осаждающий оксид гафния успешно заполнил незначительные прорехи, образовавшиеся в процессе выращивания графена. Разумеется, О’Герн понимал, что использование этого процесса для заполнения более широких отверстий и разрывов — шириной в сотни нанометров — займет намного больше времени.

Вместо этого, он и его коллеги подошли к решению задачи с помощью второй технологии, предназначенной для заполнения более широких дефектов. Этот процесс называется «полимеризацией на границе фаз» («interfacial polymerization») и часто используется при синтезе мембран. После того как были заполнены изначальные дефекты в графене, исследователи погрузили мембрану в межфазную границу двух соединений — водяной бани и органического растворителя, который подобно маслу не смешивается с водой.

В двух соединениях исследователи растворили молекулы двух различных типов, которые, вступая в реакцию, формируют нейлон. Когда О’Герн поместил графеновую мембрану на границу фаз двух растворов, он наблюдал, что нейлоновые накладки формируются только на разрывах и отверстиях — участках, где молекулы двух типов могут соприкасаться, поскольку в местах разрыва графен становится проницаемым. В результате прорехи были эффективно залатаны.

Используя технологию, которую исследователи разработали в прошлом году, они проделали в графене небольшие единообразные отверстия, которые достаточно малы для того, чтобы позволять проникать сквозь них молекулам воды, не пропуская более крупных загрязнителей. В ходе эксперимента командой исследователей была протестирована мембрана. Через нее пропускалась вода с примесями нескольких иных различных молекул, в том числе соли. Исследователи обнаружили, что мембрана отталкивает до 90% более крупных молекул. Разумеется, соль проходит с более высокой скоростью, чем вода.

Предварительное тестирование показывает, что графен может стать реальной альтернативой существующим в настоящее время фильтрующим мембранам. При этом Карник отмечает, что технологии устранения дефектов и контроля за проницаемостью нуждаются в дальнейших усовершенствованиях:

Опреснение и нанофильтрация воды являются значительными направлениями применения, если это будет разработано и данная технология устоит в ходе различных задач при тестировании в реальном мире, она может оказать большое влияние. Но можно также вообразить [другие] применения для процесса, прекрасного биологически и химически, когда эти мембраны станут готовы к применению. И это только первый отчет о графеновой мембране сантиметровой ширины, которая может использоваться для различных задач молекулярного фильтрования. Это вдохновляет.

Графен предназначен для использования в основном в высоких технологиях. В солнечных батареях им можно заменить платину. Теперь ученые нашли этому великолепному материалу еще одно важное для человечества применение.

Как, на ваш взгляд, могли бы измениться технологии очистки и опреснения воды в том случае, если бы процесс производства графеновых мембран стал бы максимально простым?