Реактивные нанофильтрационные мембраны: новый подход к проектированию систем очистки воды
Исследователи Университета Райса сделали важный шаг к созданию практической модели, которая поможет оптимизировать проектирование и производство реактивных нанофильтрационных мембран. Такие мембраны способны одновременно фильтровать воду и преобразовывать содержащиеся в ней загрязняющие вещества за один этап.
Университетские исследовательские подразделения часто первыми предлагают новые подходы к решению задач водной отрасли. Эту работу провели профессор гражданской и экологической инженерии Университета Райса имени Нэнси и Клинта Карлсон Менахем Элимелех и его бывший постдокторант Янхуа Дуань.
Исследователи сосредоточились на одной из сложнейших задач очистки воды — разработке каталитических мембран, которые одновременно отделяют и преобразуют загрязняющие вещества. До настоящего времени развитие реактивных нанофильтрационных мембран преимущественно основывалось на экспериментах, поскольку полноценной модели их работы не существовало.
Заполните форму для получения консультации специалиста по водоподготовке
Преимущества реактивных нанофильтрационных мембран
Реактивные нанофильтрационные мембраны объединяют каталитическое преобразование с молекулярным разделением. Благодаря этому они могут одновременно удалять из воды соли, тяжёлые металлы и небольшие стойкие органические загрязнители.
Главной трудностью до сих пор оставалась сложная взаимосвязь между химическими реакциями и переносом веществ. Из-за неё было трудно заранее оценить характеристики мембраны и масштабировать технологию для практического применения.
Исследовательская группа разработала первую механистическую модель, которая показывает, как окислители и загрязняющие вещества перемещаются внутри каталитических мембран и вступают в реакции в реальных условиях эксплуатации.
Янхуа Дуань, работающий доцентом кафедры гражданской и экологической инженерии Университета штата Колорадо, объяснил, что эффективность мембраны определяется взаимодействием кинетики химических реакций и переноса растворённых веществ. Учёт этих процессов позволяет отказаться от проектирования методом проб и ошибок.
От теории к рабочей модели
Разработанная модель показывает, как на удаление загрязняющих веществ влияют:
- расположение катализатора;
- толщина мембраны;
- размер пор;
- расход воды.
Исследование показало, что одна и та же мембрана работает по-разному в зависимости от расположения катализатора. При низкой плотности потока основную роль играют катализаторы, нанесённые на поверхность. При высокой плотности потока основная реакция протекает внутри мембраны. Это необходимо учитывать при разработке систем для различных задач водоподготовки.
В исследовании, опубликованном в журнале Nature Water, также был определён оптимальный диапазон содержания катализатора. Слишком малое его количество ограничивает скорость реакции, а избыток создаёт препятствия для переноса веществ. Таким образом, увеличение количества катализатора не всегда повышает эффективность мембраны.
Переход к прогнозируемому проектированию
Менахем Элимелех и Янхуа Дуань предложили новые показатели эффективности, которые выходят за рамки обычной степени удаления загрязнителей. Они помогут инженерам точнее сравнивать и совершенствовать различные мембранные системы.
Такой подход переводит разработку мембран от экспериментального подбора параметров к прогнозируемому проектированию. Это открывает возможности для создания более эффективных, масштабируемых и энергоэкономичных мембран, способных работать с водой разного качества.
Исследование определяет принципы проектирования мембран для конкретных задач:
- снижение содержания солей;
- уменьшение энергопотребления;
- повышение селективности при удалении загрязняющих веществ.
Исследователи также изучили поведение различных окислителей, включая перекись водорода и персульфат. Результаты показали, что электрический заряд окислителя существенно влияет на его доступность и реакционную способность внутри мембраны.
Новая модель позволяет проследить, как изменения на молекулярном уровне отражаются на характеристиках всей системы. Это может помочь создавать децентрализованные установки очистки воды как для развитых регионов, так и для сообществ с ограниченным доступом к необходимой инфраструктуре.
Цель исследования заключается в том, чтобы предоставить специалистам водной отрасли инструменты для разработки более эффективных, чистых и устойчивых решений. Такой подход позволяет основывать проектирование мембранных систем на прогнозируемых показателях, а не на экспериментальном подборе параметров.
КАТАЛОГ ОБОРУДОВАНИЯ
Установки двухступенчатого обратного осмоса
Мембранные дистилляторы серийного производства в наличии на складе
Установки ультрафильтрации
Системы ультрафильтрации для удаления примесей размером свыше 0,01 мкм
Опреснители морской воды
Высоконапорный обратный осмос для опреснения морской воды. Серийные системы в наличии на складе