Новини
Новий матеріал обійшов графен у справі опріснення води
Навчання
Американські дослідники встановили, що мембрани на основі почесних структур дисульфіду молібдену можуть виявитися більш ефективними опріснювачами морської води, ніж інші існуючі аналоги. У своїй роботі, опублікованій в, автори наводять результати теоретичного моделювання процесу фільтрації залежно від хімічного складу, розміру та геометрії пор мембрани.
Область моделювання складалася з фрагмента мембрани з єдиною часом, молекул води, і графенового поршня, який цю воду повинен був проштовхувати крізь пору. Під час моделювання вчені розраховували залежність ступеня опріснення води від розміру і геометрії пор, від тиску води в поршні і хімічних процесів, що відбуваються на кордоні пори.
Для дисульфіду молібдену існує три різні варіанти будови пор, залежно від того, які з атомів переважають - сірки, молібдену або «змішані». Автори розрахували потік рідини через мембрани з різними видами пор як функцію тиску і порівняли отримані криві з аналогічними залежностями для пір в монослої графена. Виявилося, що найбільш ефективним є сульфід молібдену (MoS2) з «молібденовими» порами. Автори пояснюють це геометрією будови і гідрофільністю-гідрофобністю складових атомів.
Через особливості кристалічної структури вихідного матеріалу «молібденова» пора має форму пісочного годинника, вузька частина якого - атоми молібдену, що володіють гідрофільністю (тобто «притягують» воду), а краю - гідрофобні («відштовхуючі») атоми сірки. Коли молекули води наближаються до пори, вони починають «ковзати» до притягуючого їх молібденового «перешийку», створюючи у вузькій частині велику щільність води і, тим самим, забезпечуючи високу швидкість потоку через мембрану. У випадку «сірчаної» пори все навпаки. Гідрофобні вузькі її частини розташовані на вході і виході з отвору, перешкоджаючи просуванню води.
Таким чином, виявилося, що від хімічної структури кордонів пори істотно залежить пропускна здатність мембрани. Однак на ступінь опріснення більше впливає розмір отвору, а не його хімічний склад. Так, для пір площею менше 18,02 Å2 ефективність фільтрації становить 100 відсотків незалежно від того, який матеріал використовується для створення пор. Але швидкість потоку через таку мембрану дуже низька - вода у вузьких порах утворює ланцюжкові структури за рахунок водневих зв'язків, які «перегороджують» отвір. Тому перед дослідниками стояло завдання визначити оптимальне співвідношення розміру пори і її складу, щоб забезпечити максимальну швидкість потоку при збереженні високою ефективністю фільтрації.
Автори встановили, найкращими за обома характеристиками є мембрани з MoS2 з «молібденовими» порами площею від 20 до 60 Å2. Їх використання дозволить збільшити швидкість фільтрації від двох до п'яти разів порівняно з застосовуваними зараз цеолітними і полімерними мембранами, або на 70 відсотків порівняно з графеновими. Незважаючи на те, що дана робота носить чисто теоретичний характер, вона ґрунтується на експериментальних даних про будову і властивостях почесних структур з дисульфіду молібдену. Методи отримання моношарів MoS2 і пористих мембран на їх основі порівняно прості і швидко вдосконалюються, дозволяючи вже зараз отримувати матеріали кращої якості, ніж, наприклад, графенові аналоги.
В даний час існує величезна кількість різних конкуруючих способів опріснення води, але досить економічного і універсального методу, що підходить для будь-яких умов, так і не було знайдено. Ще в XVI столітті королева Англії Єлизавета видала указ, що діє і в наш час, який встановлює премію в 10000 фунтів стерлінгів за створення досить ефективного і дешевого методу опріснення морської води. Ця премія досі зберігається в англійському казначействі, а, значить, так і не знайшлося гідного її винаходу.