Инновационное исследование, представленное в Journal of Membrane Science, раскрывает передовой метод очистки воды — электродиализ. Этот экологичный способ, не требующий химических реагентов, основан на перемещении ионов сквозь мембрану под воздействием электрического поля. Ключевым фактором эффективности процесса выступает селективность мембраны — ее способность дифференцированно пропускать различные ионы. Традиционные полимерные мембраны демонстрируют повышенную проницаемость для многозарядных ионов, таких как сульфаты, по сравнению с однозарядными нитратами. Это приводит к формированию нежелательных отложений на поверхности, препятствующих ионному транспорту и потенциально угрожающих работоспособности установки.
Современные мембранные системы для электродиализа конструируются на полимерной основе, включая каналы с заряженными стенками для селективного пропускания ионов. В традиционной структуре полимера углеродная цепочка содержит функциональные группы, прочно связанные ковалентными связями и являющиеся неотъемлемой частью боковой цепи полимерной структуры.
Специалисты НИУ ВШЭ разработали революционный метод усовершенствования селективности полимерных мембран. В своей работе они применили мембраны из полибензимидазола (PBI), обогащенные ионами меди, цинка и хрома. Инновационная структура обеспечивает соединение металлов с азотными атомами полимера посредством координационных связей, отличающихся удобством формирования и разрушения в сравнении с ковалентными связями. Эта особенность открывает широкие возможности для модификации структуры материала и его адаптации под специфические требования.
По словам Андрея Манина, автора исследования и студента магистратуры НИУ ВШЭ, работающего в лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН, новая технология позволяет гибко управлять свойствами мембраны путем регулирования количества металлических ионов при синтезе, подобно настройке интенсивности освещения в гирлянде.
Мембраны с медными ионами показали выдающиеся результаты в селективном разделении нитратов и сульфатов. Исследователи выдвигают две гипотезы успеха: оптимальный размер ионных каналов для прохождения нитратов при задержке более крупных сульфатов, а также возможность взаимодействия нитратных ионов с металлическими ионами в координационной сфере, облегчающего их транспорт через мембрану.
Практические испытания подтвердили не только высокую эффективность медных мембран, но и их долговременную стабильность. Это существенное преимущество перед цинковыми аналогами, склонными к вымыванию и загрязнению воды. Научная группа активно разрабатывает стратегии масштабирования технологии для промышленного применения.
Андрей Манин подчеркивает перспективность использования доступных полимеров для массового производства, включая незамещенный полибензимидазол. Альтернативный подход предполагает нанесение тонкого слоя синтезированного полимера с металлическими ионами на существующие промышленные мембраны. Такая модификация может значительно повысить эффективность очистки без существенного удорожания производственного процесса.
