Молодые ученые из России и Украины приехали в Красноярск для работы над инновационным проектом. Научный коллектив создает в лаборатории мембраны, способные разделять компоненты жидких смесей. Ученые уверены: такая технология может найти свое применение в металлургической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности.
Проект, который поддерживается Научным фондом России, стартовал в мае 2015 года. Тогда молодой коллектив ученых и начал заниматься синтезом мембран. Корреспондент Sibnovosti.ru побывал в лаборатории и выяснил, какие научные принципы лежат в основе предложенной технологии и каковы перспективы применения полученных мембран.
Для начала стоит разобраться, что же такое мембрана. Ее можно описать как некий барьер, который пропускает через себя одни вещества и задерживает другие. Принцип работы прост и по сути похож на сито, однако в науке не обойтись без сложностей. Перед учеными стоит ряд задач - обеспечить стабильную работу мембран в различных растворах и научиться управлять процессом селективности. Теперь обо всем по порядку.
Известно, что во многих сферах жизнедеятельности возникает необходимость выделять полезные компоненты из смесей, при этом задерживая ненужные (или вредные) вещества. Сделать это можно с помощью мембран, состоящих из множества пор очень малого размера, а также простых электрических законов, известных многим еще со школьной скамьи.
«Представим типичную ситуацию. Вам необходимо обессолить морскую воду. Прежде чем стать пресной, вода проходит несколько этапов обработки. Из нее удаляются ионы различных солей: натрия, калия, кальция, хлора и другие. Это делают с помощью мембран, которые обладают ионоселективными свойствами, то есть позволяют пропускать одни ионы и задерживать другие. Например, если поверхность пор мембраны заряжена положительно, что через нее будут проходить ионы противоположного знака (отрицательные), а ионы того же знака проходить не будут», - рассказывает доктор физико-математических наук Илья Рыжков.
Ученые хотят не просто удалять ионы различных солей из растворов, а сделать селективность управляемой, то есть научится изменять «пропускную способность» мембраны посредством внешнего воздействия (например, варьируя заряд на стенках пор).
«Чтобы электрический механизм начал действовать, нужно, чтобы пора была очень маленькой. В больших порах электрические силы действуют на заряженные компоненты лишь вблизи стенки, при этом в основной части поры ионы свободно проходят. Как показывают эксперименты, для задержания ионов размер пор должен быть порядка нескольких нанометров», - объясняет Илья Рыжков.
Кандидат химических наук Вера Солодовниченко рассказала, что для создания мембран используется материал Nafen, который представляет собой нановолокна оксида алюминия. Этот материал производится компанией ANF Technology в Таллине (Эстония) и является очень перспективным для создания нанофильтров, говорят ученые.
«Уникальность наноматериалов - материалов с размером частиц порядка нанометра, - в их развитой удельной поверхности (которая измеряется в квадратных метрах на грамм вещества), и соответственно высокой реакционной способности. Однако Nafen привлек наше внимание в том числе тем, что при диаметре единичного волокна 8−10 нанометров его длина может достигать 10 см, что делает этот материал действительно уникальным», - рассказывает Вера Солодовниченко.
Все наноматериалы склонны к агрегации (соединению частиц друг с другом), поэтому для проявления их свойств необходимо отделить волокна друг от друга. При этом важно, уточняют разработчики, разделить их так, чтобы они долгое время не могли соединиться вновь.
«Для этого мы применяем многоступенчатую обработку: сначала механическое перемешивание, а затем обработку ультразвуком. Этот подход позволяет нам получать систему, состоящую из индивидуальных волокон Nafen и сохраняющую стабильность в течение нескольких дней», - рассказывают ученые.
Из таких систем формируются мембраны, представляющие собой пористые керамические диски с размером пор в несколько десятков нанометров. Следующий шаг - нанесение на поверхность мембраны тонкого углеродного слоя, который уменьшает размер пор до нескольких нанометров. Это также позволят сделать мембрану электропроводной, а её селективность - управляемой. Нанесение углерода происходит в специальном реакторе при температуре более тысячи градусов. В результате диск исходной мембраны из нановолокон приобретает черный цвет.
Затем ученые показали пример использования полученных мембран. Это фильтрация красителей, после которой окрашенная вода становится чистой. Сама фильтрационная установка работает по принципу большого шприца, который продавливает раствор через мембрану. Только давление в таком приборе может достигать 50 атмосфер, что соответствует давлению под водой на глубине 500 метров.
Закончив экскурсию по лаборатории, ученые рассказали, что планируют развивать сотрудничество с промышленными предприятиями, например, с Красноярским заводом «Красцветмет». Именно на этом предприятии есть задачи по выделению токсичных компонентов из растворов.
Но это не единственный проект, над которым работают исследователи. В коллективе развито научное сотрудничество с коллегами из России, Белоруссии, Бельгии, Испании. Тематика исследований связана с изучением процессов разделения смесей различными методами.
«Российский научный фонд стал одним из первых учреждений, которые поддерживают систему научной миграции в нашей стране. В зарубежных странах такие программы очень распространены. Раньше у нас их практически не было, и конкурс РНФ с привлечением молодых исследователей, на наш взгляд, является очень удачным примером такой программы. В рамках работы над новым проектом молодые ученые получили уникальную возможность расширить свой научный кругозор, приобрести новые знания и повысить свой профессиональный уровень. Для данного проекта Денис Лебедев приехал из Казани, Вера Солодовниченко - из Омска, а Виктория Быканова - из Харькова. У нас фактически международный коллектив», - подытожил Илья Рыжков.
Добавим, что проект по созданию «умных нанофильтров» стоимость проекта по созданию «умных нанофильтров» составляет 7,5 млн рублей. Он рассчитан на 3 года с перспективой дальнейшего продления.