Водопроводная вода в Париже, Франция, 27 апреля 2014 года. 29 апреля. , 2014 г. (Franck Fife/AFP/Getty Images) | Epoch Times Россия
Водопроводная вода в Париже, Франция, 27 апреля 2014 года. 29 апреля. , 2014 г. (Franck Fife/AFP/Getty Images)

Странные свойства воды выявили фильтры из оксида графена

Открытие заключается в использовании фильтров на основе графена — чрезвычайно тонкой формы углерода
Автор: 02.09.2022 Обновлено: 02.09.2022 10:36
Все мы знаем, что если в сите проделать дополнительные отверстия, то через них пройдёт больше воды. Однако на наноуровне всё обстоит наоборот.

Международная группа учёных из Австралии, Германии, Франции и Японии обнаружила, что вода ведёт себя не так, как ожидалось, при использовании фильтров из оксида графена (GO).

Экспериментируя с GO-мембранами, исследователи обнаружили, что химическая среда и поверхностное натяжение играют важную роль в проницаемости воды и могут иметь значительные последствия для очистки воды, хранения энергии и производства водорода.

Исследование, опубликованное в журнале Nano Letters, показало, что плотность пор сита необязательно определяет его проницаемость; в наномасштабе добавление большего количества крошечных отверстий в сите не всегда позволяет пропустить больше воды.

«Если вы прокалываете больше отверстий в сите, вы ожидаете, что это повысит проницаемость для воды», — сказал старший автор исследования, доцент Ракеш Джоши из UNSW, в пресс-релизе университета.

«Но удивительно, что в наших экспериментах с мембранами из оксида графена всё было наоборот», — сказал Джоши.

Влияние химической среды оксида графена

GO — это чрезвычайно тонкая форма углерода, состоящая из одного слоя атомов углерода с присоединёнными атомами кислорода и водорода. Структура оксида графена похожа на разбросанные по полу кусочки LEGO, где пол представляет собой один слой атомов углерода, а кусочки LEGO — присоединённые атомы водорода и кислорода.

Одним из свойств, позволяющих оксиду графена так успешно блокировать поток воды, являются его гидрофобные отталкивающие воду поры.

В химических соединениях — веществах, состоящих из атомов более чем одного элемента, существуют функциональные группы — отдельные атомы или группы атомов в молекуле, которые обладают сравнимыми химическими свойствами в разных соединениях, где они присутствуют. Эти функциональные группы могут быть гидрофильными — притягивающими воду, или гидрофобными.

«Удивительно, но для потока воды через мембрану важнее не количество пор, а то, являются ли поры гидрофобными или гидрофильными», — сказал Тобиас Фоллер, ведущий автор исследования.

«Это очень неожиданно, поскольку толщина слоёв GO составляет всего один атом. Можно ожидать, что вода просто пройдёт через поры, независимо от того, притягивают они воду или отталкивают».

Исследование показало, что вода не проходит через гидрофобные поры фильтров из оксида графена, хотя в используемых фильтрах было много крошечных отверстий.

«При использовании фильтров обычно ожидается больший поток воды при большем количестве отверстий», — сказала профессор Марика Шлебергер, соавтор исследования из Дуйсбурга, Германия.

«Но в нашем случае, когда у нас больше отверстий, поток воды меньше, и это связано с химической природой отверстий оксида графена, которые в данном случае отталкивают воду».

Влияние поверхностного натяжения

Исследователи заявили, что поверхностное натяжение также вносит свой вклад в неожиданное взаимодействие между водой и порами оксида графена. Поверхностное натяжение возникает потому, что молекулы воды стремятся прилипнуть друг к другу.

Вода, попадая в довольно маленькое пространство, может перемещаться вверх, используя когезионные связи между молекулами воды и твёрдыми поверхностями, окружающими жидкость. Именно так деревья могут преодолевать гравитацию и вытягивать воду из своих корней, поднимая её по капиллярам — маленьким трубочкам в растении, к остальным частям растения.

Те же силы, которые позволяют деревьям втягивать воду, также не дают воде протекать через крошечные отверстия в порах оксида графена. Поры, размер которых составляет одну миллионную долю миллиметра или меньше, действуют как капилляры, выталкивая воду вверх, а не пропускают её через себя.

«Когда вы заключаете воду в мельчайшие капилляры размером всего в несколько атомов, молекулы воды притягиваются друг к другу настолько сильно, что образуют плотную сеть», — говорит Фоллер.

«В свободном состоянии эта сеть настолько прочна, что не позволяет молекулам высвободиться и пройти через сито, даже если увеличить количество пор».

Способность оксида графена к фильтрации воды

Исследователи заявили, что возможным применением открытия станут ультратонкие сита, которые изготавливаются из различных материалов. Кроме того, результаты данного исследования могут помочь учёным в улучшении транспортировки жидкости в атомных ситах и разработке высокоточных систем фильтрации.

«Понимая, какие параметры будут увеличивать или уменьшать поток воды, мы сможем оптимизировать множество возможных применений оксида графена для очистки воды, хранения энергии, производства водорода и многого другого», — сказал Фоллер.

«Мы надеемся, что другие инженеры и учёные смогут использовать эти новые знания для улучшения своих устройств и привести к новым разработкам в будущем».

В 2018 году UNSW продемонстрировал эффективность GO в качестве системы фильтрации воды, разработав фильтр лабораторного масштаба, который мог удалять более 99% всепроникающих природных органических веществ из питьевой воды.

«Наше достижение заключается в использовании фильтров на основе графена — чрезвычайно тонкой формы углерода. Ни один другой метод фильтрации не приблизился к удалению 99% природных органических веществ из воды при низком давлении», — сказал профессор Джоши в релизе UNSW.

«Наши результаты показывают, что мембраны на основе графена могут быть преобразованы в альтернативный новый вариант, который в будущем может быть модернизирован в обычных водоочистных станциях».

«Новая система очистки изготавливается путём преобразования встречающегося в природе графита в мембраны на основе оксида графена, которые обеспечивают высокий поток воды при атмосферном давлении, удаляя при этом практически все органические вещества», — сказал Джоши.

Исследовательская группа изучила применение оксида графена в фильтрации воды, проведя лабораторные тесты на отфильтрованной воде из Nepean Water Filtration Plant; результаты этого исследования были опубликованы в журнале Carbon.

«Наиболее распространённые методы, используемые в настоящее время для удаления органических веществ из воды, включают применение химических коагулянтов», — сказал Хериберто Бустаманте, доктор философии из Sydney Water.

«Однако эти существующие методы лечения эффективны лишь отчасти, особенно по мере увеличения концентрации природных органических веществ».

Это открытие было сделано сотрудниками Университета Нового Южного Уэльса (UNSW) в Австралии, Университета Дуйсбург-Эссена в Германии, GANIL во Франции, Технологического института Тойоты в Японии и поддержано Европейским Союзом и Исследовательским фондом Гумбольдта.

Лили Келли, австралийский репортёр The Epoch Times

Комментарии
Дорогие читатели,

мы приветствуем любые комментарии, кроме нецензурных.
Раздел модерируется вручную, неподобающие сообщения не будут опубликованы.

С наилучшими пожеланиями, редакция The Epoch Times

Упражения Фалунь Дафа
ВЫБОР РЕДАКТОРА