Veeohutus on tänapäeva ühiskonna üks suuremaid väljakutseid ning seetõttu on vaja välja töötada tõhusad ja energiasäästlikud veepuhastustehnoloogiad.
Nanofiltratsioon (NF) on uus rõhuga juhitav membraanitehnoloogia, mis eemaldab vähese energiakuluga mitmevalentsed ioonid ja väikemolekulaarsed orgaanilised ained ning mida kasutatakse laialdaselt joogivee tootmisel, olmevee ja tööstusliku reovee puhastamisel.
Polüamiid-nanofiltratsioonimembraanid on olnud turul juhtiv toode alates 1970. aastate lõpust. Nende õhukese kile komposiitkonstruktsioon koosneb poorsest toest ja kahemõõtmelisest (2D) polüamiidkihist, millel on suurepärane läbilaskvusselektiivsus. Vaatamata teatavatele edusammudele, mis on tehtud monomeeride disaini, nanokomposiitide ja tootmisprotsesside täiustamise kaudu, on polüamiidmembraanide vee läbilaskvus siiski suhteliselt madal, piirates nende laiemat tööstuslikku rakendust.
Viimastel aastatel on uued disainilahendused, nagu nanomõõtmelised Turingi struktuurid ja kortsuspinnad, laiendanud filtreerimisala, kuid need on sisuliselt 2D-membraanide evolutsioon. Tulevikus on vaja välja töötada häirivaid uusi struktuure, et veelgi parandada eraldusvõimet, mõistes samal ajal sügavalt töötlemise ja struktuuri vahelist seost, et pakkuda uuenduslikke lahendusi vee puhastamise valdkonnas.
Siin teatas Tianjini polütehnilise ülikooli teadlane Wu Chunrui suure pindalaga segadimensioonilise polüamiidmembraani valmistamisest kahe väikese molekuli kiire iseseisvumise teel õli-vee liidesel toatemperatuuril.
Membraanil on ainulaadne hierarhiline struktuur, mis koosneb kahemõõtmelise nanomembraani pinnale kasvatatud ühemõõtmelistest nanotorudest. See uuenduslik struktuur suurendab oluliselt efektiivset veetranspordipinda projitseeritud pindalaühiku kohta, muutes membraani vee-soola eraldusvõime palju paremaks kui praegu saadaolevad kõige arenenumad membraanimaterjalid.
Molekulaarse dünaamika simulatsioonidega kombineeritud kontrollkatsete abil leidsid autorid, et kaks monomeeri molekuli organiseeriti reaktsiooni alguses spontaanselt kahemõõtmeliseks nanopooride võrgustikuks ja nanotorude kasvu ülespoole ajendas kapillaartegevus nanopooride sees.
Joonis: NoN-struktuuriga segamõõtmelise polüamiidmembraani skemaatiline diagramm, võrreldes kõrvuti tasapinnalise kahemõõtmelise polüamiidmembraaniga
See uuring annab väärtuslikku teavet selle kohta, kuidas liideste füüsikalised ja keemilised interaktsioonid panevad molekulid ümbritseva keskkonna tingimustes suuremahulisteks keerulisteks hierarhilisteks nanostruktuurideks ja avab uusi teid skaleeritavate segamõõtmeliste veepuhastusmembraanide väljatöötamiseks. Seotud tulemused avaldati ajakirjas Nature Water pealkirja all: Suure pindalaga segadimensiooniliste polüamiidmembraanide liidese iseorganiseerimine kiireks vesipõhiseks nanofiltreerimiseks, kusjuures esimene autor oli Si-Hua Liu.
Kokkuvõte: Siin kasutasime edukalt pindadevahelise polükondensatsiooni lähenemisviisi, et saavutada segamõõtmeliste polüamiidmembraanide laiaulatuslik valmistamine ühes etapis. Unikaalne NoN-arhitektuur sillutab teed energiatõhusatele NF-membraanidele, millel on suurepärane vee läbilaskvus ja vee-soola selektiivsus. Seda tootmisprotsessi saab hõlpsasti laiendada rullist rulli katmise abil ja sellel on paljutõotavad praktilised rakendused joogivee tootmisel ning olme- ja tööstusreovee puhastamisel. Sellest tööst saadud teoreetilised teadmised näitavad liidese polükondensatsiooni keerukust, eriti liideste füüsikaliste ja keemiliste interaktsioonide vastastikuse mõju ärakasutamisel. Autorid usuvad, et need leiud annavad inspiratsiooni täiustatud nanotootmistehnoloogiate väljatöötamiseks veeohutuse tagamiseks.