Сегодня - 18.10.2019

Разделяй и властвуй

07 февраля 2017

Исследователи ФИЦ Красноярский научный центр СО РАН работают над созданием мембран с управляемой селективностью для разделения смесей. Эти мембраны найдут свое применение в химической, топливно-энергетической, фармацевтической и других отраслях промышленности.

Илья РыжковМембрана представляет собой селективный барьер, пропускающий одни компоненты и задерживающий другие. Во многих случаях этот эффект достигается за счет геометрического соответствия между размерами пор и целевых компонентов (молекул, частиц). Все компоненты, размер которых превышает диаметр пор, не проходят через мембрану. «Другие механизмы разделения связаны с электрическими эффектами, — рассказывает ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования ФИЦ КНЦ СО РАН, доктор физико-математических наук Илья Игоревич Рыжков.  Типичная задача: у вас есть раствор, где содержатся ионы солей, имеющие различный заряд. Если поверхность пор заряжена положительно, то при прокачивании раствора через мембрану они пропустят ионы противоположного знака (отрицательные), а ионы того же знака (положительные) проходить не будут. Эффект задержания соли основан на том, что при «запирании» ионов одного знака ионы противоположного знака накапливаются в порах, однако не могут выйти из них в силу электронейтральности (количество «минусов» в среднем должно равняться количеству «плюсов»). Таким образом осуществляется, например, обессоливание морской воды. 
 
«Селективность имеющихся в настоящее время мембран, как правило, определяется фиксированным размером пор или фиксированным зарядом на их поверхности. Основная идея нашего проекта — сделать мембраны с управляемой селективностью. Мы хотим управлять зарядом поверхности посредством внешнего воздействия. Одним из возможных решений является проводящая поверхность пор, потенциал которой можно контролировать извне. «Активные» мембраны позволят непрерывным образом настраивать свои селективные свойства на целевые компоненты: полярные молекулы, ионы, заряженные частицы», — говорит учёный.
 
Для решения этой задачи объединились сотрудники Отдела вычислительной физики ИВМ СО РАН, занимающиеся математическим моделированием, и Отдела молекулярной электроники КНЦ СО РАН, имеющие большой опыт синтеза различных наноструктур. Исследования получили поддержку Российского научного фонда. Для работы в новом научном коллективе в Красноярск приехали молодые кандидаты наук из других регионов России и СНГ: Денис Лебедев (Казань), Вера Солодовниченко  (Омск), Виктория Быканова (Харьков, Украина). 
 
В качестве основы исследователи взяли уникальный материал нафен, который был впервые получен несколько лет назад компанией ANF Technologies (Эстония). Он представляет собой пучок, состоящий из множества нановолокон оксида алюминия. Отдельное волокно имеет диаметр 10—15 нанометров, а его длина может составлять до нескольких сантиметров. При этом все волокна структурированы и уложены очень ровно.
 
Чтобы сделать мембрану, нановолокна сначала необходимо отделить друг от друга. Для этого материал помещают в воду, и в два этапа осуществляют интенсивное перемешивание с использованием магнитной мешалки и ультразвукового воздействия. Потом полученная субстанция фильтруется через подложку с крупными порами порядка 1 мкм. Волокна укладываются на неё хаотическим образом, и получается своеобразный лес из них.  Затем полученная структура снимается с подложки и подвергается тепловому воздействию для придания механической прочности. Характерный размер пор такой мембраны составляет порядка 10–20 нм, а пористость (доля пустого пространства) – 60–70 %.
 
Мембрана с углеродом (черная) и без (белая)
 
Теперь мембрана готова, но пока она является диэлектрической. Чтобы сделать её проводящей, ученые разработали методику нанесения углеродного слоя на нановолокна. Этот процесс осуществляется в специальной печи методом химического осаждения из газовой фазы — туда подаётся смесь паров спирта и инертного газа. При высокой температуре (более 1000 С) происходит целый каскад реакций, в одной из которых образуется углерод, осаждающийся на поверхность мембраны. Теперь она способна проводить электрический ток — к ней можно подводить заданный потенциал и тем самым менять находящийся на поверхности заряд.
 
После того, как проводящая мембрана сделана, необходимо убедиться, что она действительно селективна по отношению к ионам. Для этого её свойства проверяют в специальной установке. «Мембрана зажимается между двумя ячейками с различной концентраций соли. Если бы она не задерживала ионы, то происходила бы диффузия соли из ячейки с большей концентрацией в ячейку с меньшей концентрацией, — рассказывает Илья Рыжков. — Наша мембрана пропускает отрицательные ионы, которые накапливаются в порах. В результате между ячейками возникает разность потенциалов, по величине которой мы можем судить о селективности мембраны. Предварительные эксперименты показали, что при приложении к мембране потенциала ее заряд меняется, в результате чего мембрана начинает пропускать положительные ионы».
 
Сейчас учёные занимаются созданием установки для фильтрации ионных растворов через мембрану под давлением. Необходимо научиться управлять свойствами мембраны. «Варьирование заряда её поверхности позволит нам менять степень обессоливания или пропускания тех или иных ионов», — объясняет Илья. 
 
Поверхность мембраны из нановолокон оксида алюминияРазделение компонентов смесей — это типичная задача для многих областей промышленности: химической, фармацевтической, топливно-энергетической, пищевой.  Мембраны с управляемой селективностью перспективны в плане создания различных сенсоров, детекторов для обнаружения тех или иных веществ. Ионизированной жидкостью является в том числе и кровь человека. 
 
Кроме того, исследователи планируют развивать сотрудничество с Красцветметом. При производстве цветных металлов остаются растворы, в которых в малых количествах присутствуют ценные, а также токсичные компоненты (например, ионы тех же металлов). Эти растворы и сливать запрещено, и извлечь из них необходимое пока тоже не могут. Возможно, разработанные красноярскими учёными мембраны позволят решить этот вопрос.
 
Благодаря малому размеру пор (10–20 нанометров) синтезированные мембраны позволяют задерживать значительно более крупные вирусы (порядка 100 нанометров) и бактерии (порядка нескольких микрометров), что открывает перспективы их использования в медицинских целях.  Для этого на них даже не нужно осаждать углерод.
 
Сейчас исследователи работают над тем, чтобы увеличить механическую прочность мембраны. Хрупкий слой нановолокон планируется нанести на подложку. «Недавно мы заключили договор с Институтом общей и неорганической химии Национальной академии наук Беларуси. Они тоже делают мембраны, только с более крупными порами – порядка 10 микрометров, — рассказывает Илья Рыжков. — Если на эту подложку нанести наши волокна, получается композитная двухслойная система, где толстый слой обеспечивает механическую прочность, а тонкий  — задерживает ионы или другие заряженные компоненты. Наличие слоя с крупными порами позволит существенно снизить необходимую разность давлений для прокачивания раствора через мембрану. Мы полагаем, что такая система будет действительно перспективной в промышленных задачах». 
 
В дополнение к экспериментальным исследованиям, красноярские учёные также занимаются математическим моделированием транспорта ионных растворов через заряженные поры. Рассчитывается скорость движения раствора, концентрация ионов, распределение в порах электрического потенциала. Это позволяет дополнить и уточнить имеющуюся информацию о свойствах мембраны, а также глубже понять механизмы транспорта через неё различных компонентов.
 
Диана Хомякова
 
Фото: автора (1,2), предоставлено Ильей Рыжковым (3)
 
Голосов еще нет
Поделись с друзьями: 
 

comments powered by HyperComments

Система Orphus