Группа исследователей из CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), Индийского технологического института Гандинагара (IITGN), Наньянского технологического университета в Сингапуре и Национального центра фундаментальных наук имени С. Н. Боса разработала новый тип высокоточных фильтрационных мембран. Исследование, опубликованное в Journal of the American Chemical Society, описывает технологию, которая может помочь промышленности сократить потребление энергии и значительно увеличить повторное использование воды.

Многие промышленные процессы зависят от разделения различных веществ друг от друга. Эти процессы разделения необходимы для таких задач, как очистка лекарств, обработка текстильных красителей и производство продуктов питания. Однако они также являются одними из самых энергоемких операций в производстве, на которые приходится примерно 40-50% мирового промышленного потребления энергии. Большинство предприятий по-прежнему полагаются на традиционные методы, такие как дистилляция и выпаривание. Хотя они эффективны, эти методы требуют большого количества энергии и вносят значительный вклад в выбросы углерода. Мембранная фильтрация обычно считается более чистой альтернативой, но обычные полимерные мембраны часто содержат поры неравномерного размера. Со временем эти поры могут менять форму или разрушаться, снижая производительность и ограничивая их полезность в сложных промышленных условиях.

«Чтобы устранить эти ограничения, мы разработали новый класс ультраселективных кристаллических мембран, названных «POMbranes», которые содержат поры шириной около одного нанометра, в тысячи раз тоньше человеческого волоса», — сказала доктор Шилпи Кушваха, старший научный сотрудник CSMCRI. Новые мембраны черпают вдохновение из биологических систем, таких как аквапорины, которые регулируют движение молекул через каналы точно заданного размера. Чтобы достичь такого уровня контроля, исследователи использовали кластеры полиоксометаллатов (POM). Каждый кластер содержит естественное отверстие шириной ровно 1 нанометр, которое остается постоянно стабильным. По словам г-жи Приянки Добарии, научного сотрудника CSMCRI и соавтора статьи, «эти POM представляют собой крошечные металлические кластеры в форме короны, которые имеют постоянное идеальное отверстие в центре, которое не меняет и не теряет форму, что является самым большим препятствием для традиционных пластиковых фильтров».

Создание практичной мембраны потребовало размещения миллиардов этих крошечных кольцеобразных структур в непрерывный бездефектный слой. Для этого исследователи присоединили гибкие химические цепочки к кластерам POM. Когда модифицированные кластеры помещали на воду, они естественным образом распространялись и организовывались в тонкую пленку большой площади. Изменяя длину присоединенных цепочек, команда смогла контролировать, насколько плотно кластеры упаковывались друг к другу. «Это заставляло молекулы пересекать мембрану только через единственный открытый путь — отверстия в один нанометр, встроенные в каждый кластер, позволяя мембране действовать как высокотехнологичное сито», — добавил доктор Рагхаван Ранганатан, доцент кафедры материаловедения IITGN. Доктор Ранганатан и г-н Винай Тхакур, аспирант IITGN и соавтор статьи, также провели моделирование на молекулярном уровне, которое показало, как мембраны выполняют свою фильтрующую функцию.

Тестирование показало, что мембраны могут различать молекулы, различающиеся всего на 100-200 дальтон, что является уровнем точности, чрезвычайно труднодостижимым для обычных полимерных мембран. По словам доктора Кетана Пателя, главного научного сотрудника CSMCRI, эта возможность может создать новые возможности для более устойчивых производственных процессов. «Наши мембраны показывают почти в десять раз лучшую эффективность разделения по сравнению с существующими технологиями, оставаясь при этом гибкими, стабильными и масштабируемыми», — сказал он. «Кроме того, эти мембраны гибкие, стабильны в различных уровнях кислотности (диапазонах pH) и могут быть изготовлены в виде больших листов. Такое сочетание необходимо для широкого внедрения мембран в промышленности».