Фильтрация воды при помощи жидкостей позволяет экономить энергию и снижать вредные выбросы
Исследователи подсмотрели у живой природы решение, которое позволяет радикально снизить затраты на очистку воды. Речь идёт о фильтрах, которые нужно промывать и менять гораздо реже, чем их стандартные аналоги. Это достигается за счёт использования "умных" пор, меняющих свой просвет и сопротивляющихся загрязнению.
Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале APL Materials группой во главе с Джоанной Айзенберг (Joanna Aizenberg) из Гарвардского университета.
Фильтрация воды – насущная потребность человечества. Огромные массы бытовых и промышленных стоков ежесекундно поступают в реки, озера и грунтовые воды. Они должны очищаться, чтобы не загрязнять планету опасными отходами жизнедеятельности человека.
При этом в США, крупнейшей в мире стране по размеру ВВП и третьей по численности населения, 13% вырабатываемой электроэнергии тратится на фильтрацию воды. Выработка этого электричества добавляет в атмосферу 290 миллионов тонн углекислого газа в год (а выбросы СО2, как известно, способствуют глобальному потеплению).
Обычная методика фильтрации проста, как дважды два (по смыслу, но, к сожалению, не технологически). Вода пропускается через пористый материал, по сути представляющий собой сито. Фильтр задерживает частицы, которые по размеру больше пор.
Проблема в том, что отфильтрованный "мусор" прилипает к фильтру. Проще говоря, сетка забивается.
Для её очистки используется режим обратной промывки. Вода под большим давлением подаётся в обратном направлении: из "чистой" части системы в "грязную". Мощный напор смывает с фильтра налипшие на него частицы.
Однако на это, во-первых, тратится дополнительная энергия. А во-вторых, обратная промывка не устраняет загрязнение полностью. Рано или поздно фильтр приходится менять.
Теперь исследователи предложили более эффективную технологию. Свою разработку они называют закрытыми жидкостью мембранами (ЗЖМ).
Эта система чем-то похожа на устьица в листьях растений. Напомним, что они открываются и закрываются в нужное время, реагируя на внешние условия. Инженеры применили тот же гибкий подход.
Поры в мембране заполнены специальной жидкостью (не той, которую предстоит фильтровать). Она не течёт сквозь фильтр, а играет роль пробки, закрывающей отверстие. Когда на мембрану подаётся фильтруемая вода, жидкость под её давлением прижимается к стенкам поры, создавая открытый канал. Этот "коридор" пропускает воду, но он слишком узок для того, чтобы через него проникали загрязняющие частицы.
Такая система страдает от налипшего "мусора" гораздо меньше, чем обычный механический фильтр. Дело в том, что поверхность фильтра, покрытая слоем "запечатывающей" жидкости, очень скользкая. Всё лишнее впоследствии легко соскальзывает с неё, не забивая отверстия как в обычных статичных мембранах.
В зависимости от конкретных деталей строения фильтра ширину "прохода" через пору можно варьировать. Это позволяет адаптировать разработку к фильтрации разных загрязнений.
Такая система может не только очистить воду "от всего плохого", но и выделить из смеси конкретный компонент. Такая задача часто встречается в промышленности.
Исследователи протестировали своё детище в ходе фильтрации воды, загрязнённой бентонитовой глиной. Подобные загрязнения воды часто встречаются при буровых работах в нефтегазовой отрасли.
Авторы использовали в качестве фильтров 25-миллиметровые диски. Контрольные образцы представляли собой обычные механические сита, а экспериментальные – ЗЖМ. В качестве запечатывающей поры жидкости использовался перфторполиэфир. Это вещество более 30 лет используется в аэрокосмической промышленности в качестве смазочного материала.
"Это первое исследование, которое демонстрирует, что ЗЖМ могут обеспечить устойчивую фильтрацию в условиях, аналогичных тем, которые имеются в тяжёлой промышленности. Оно даёт представление о том, как ЗЖМ противостоят различным типам загрязнения. Это может способствовать их использованию в различных режимах обработки воды", – говорит первый автор статьи Джек Альваренга (Jack Alvarenga).
Результаты получились впечатляющими. Новые фильтры, конечно же, тоже со временем забивались. Однако процедура обратной промывки требовалась им в три раза реже, чем их обычным "коллегам".
Кроме того, необратимое загрязнение (то, которое не устраняется обратной промывкой) при том же объёме отфильтрованного состава у них было на 60% ниже, чем у стандартных систем. Поэтому такие фильтры можно реже менять.
Наконец, через ЗЖМ можно подавать фильтруемую воду под более низким давлением (на 16% ниже, чем у контрольных образцов). Это даёт экономию энергии, которую не нужно тратить на нагнетание воды.
"У ЗЖМ есть потенциал для использования в таких разнообразных отраслях, как производство продуктов питания и напитков, биофармацевтика, производство текстиля, бумаги, целлюлозы, химическая и нефтехимическая промышленность", – подытоживает Джоанна Айзенберг.
В ближайших планах исследователей сотрудничество с коммерческими компаниями с целью внедрения новых фильтров в промышленность.
Напомним, что "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) ранее писали о фильтре, который задерживает мелкие частицы, но пропускает крупные. Также мы рассказывали о том, как фильтровать воду помогают структуры, открытые математиками. Не обошли мы стороной и систему, очищающую стоки от микропластика.