Российские ученые улучшили мембраны для очистки воды с помощью ионов металлов
Исследователи предложили использовать для очистки воды полимерные мембраны, модифицированные ионами металлов меди, цинка и хрома. Подобные полимеры впервые использовались для очистки воды методом электродиализа. Мембраны на основе меди показали рекордные значения селективности для однозарядных ионов, что открывает новые возможности для устойчивой переработки воды. Исследование опубликовано в Journal of Membrane Science.
Электродиализ — способ очистки воды от загрязнений без химических реагентов, основанный на движении ионов через мембрану под действием электрического поля. Эффективность очистки зависит от свойств мембраны, особенно от ее селективности — умения пропускать одни ионы и задерживать другие. При этом полимерные мембраны обычно лучше пропускают многозарядные ионы, такие как сульфаты, чем однозарядные, например нитраты. В результате на поверхности мембраны образуются отложения, которые блокируют перенос ионов и могут привести к выходу из строя всей электродиализной установки. Поэтому ученые разрабатывают способы повышения избирательности мембран к транспорту однозарядных ионов.
Мембраны для электродиализа обычно создаются на основе полимеров и содержат каналы с заряженными стенками, которые избирательно пропускают ионы. Классический полимер состоит из цепочки углеродных атомов, в которой заряженные функциональные группы прикреплены прочными ковалентными связями. Эти группы — часть структуры полимера, поскольку прикреплены к его боковой цепи.
Ученые из НИУ ВШЭ показали, как можно с помощью простой модификации повысить селективность полимерных мембран. Они использовали мембраны на основе полибензимидазола (PBI), в которые внедрили ионы металлов — меди, цинка и хрома. В предложенной структуре металлы соединялись с атомами азота из полимера с помощью координационных связей — их легко и сформировать, и разрушить, в отличие от прочных ковалентных связей. Это свойство координационных связей позволяет изменять структуру материала и адаптировать его свойства под конкретные задачи.
«Типичный полимер можно представить как гирлянду, где основная цепь — провод, а функциональные группы — лампочки, закрепленные на нем. В обычных мембранах лампочки всегда находятся на одном месте и прикреплены к проводу, а в нашем случае лампочки словно левитируют. Мы можем изменять их количество, добавляя больше или меньше ионов металла при синтезе, и таким образом регулировать свойства мембраны», — комментирует автор статьи, студент магистерской программы «Химия молекулярных систем и материалов» факультета химии НИУ ВШЭ и сотрудник лаборатории ионики функциональных материалов ИОНХ РАН Андрей Манин.
Мембраны, созданные с добавлением ионов меди, продемонстрировали рекордную селективность в процессе разделения нитратов и сульфатов. Ученые предполагают два объяснения. Первое — что размер ионных каналов в структуре мембраны идеально подходит для транспорта нитратов, в то время как более крупные сульфаты застревают. Второе связано с тем, что ионы нитратов могут взаимодействовать с ионами металлов в координационной сфере, что облегчает их прохождение через мембрану.
Эксперименты подтвердили, что мембраны с медью не только эффективны, но и стабильны: они сохраняют свои свойства в процессе длительного использования. Это важное преимущество перед аналогами на основе ионов цинка, которые вымывались из полимерной матрицы, загрязняя воду тяжелыми металлами. Ученые рассматривают несколько вариантов масштабирования технологии для промышленного внедрения.
«В эксперименте мы использовали замещенный полибензимидазол, синтезированный нашими коллегами из ИНЭОС РАН, а для производства можно взять другой доступный и широко производимый полимер, например незамещенный полибензимидазол. Другой вариант — наносить тонкий слой синтезированного полимера с ионами металлов на уже готовые коммерческие мембраны для электродиализа. Это позволит улучшить селективность, сохраняя свойства проводимости мембраны за счет исходного материала. Такие мембраны производятся по отлаженным технологическим процессам, и добавление одной стадии не будет критически влиять на стоимость производства, но может повысить эффективность мембран», — считает Андрей Манин.
Вам также может быть интересно:
Профессор факультета химии ВШЭ стал лауреатом премии «Вызов»
9 декабря были объявлены лауреаты Национальной премии в области будущих технологий «Вызов». Профессор базовой кафедры Института органической химии им. Н.Д. Зелинского НИУ ВШЭ Леонид Ферштат стал ее лауреатом в номинации «Перспектива» за передовые исследования в области создания органических функциональных материалов многоцелевого назначения на основе высокоазотных молекулярных архитектур.
Комплексы рутения помогут быстрее разрабатывать лекарства
Группа ученых из ИНЭОС РАН, НИУ ВШЭ и МФТИ синтезировала катализаторы, содержащие атом металла рутения и ароматическое кольцо. Ученые выделили зеркальные формы этих катализаторов и исследовали их эффективность для получения гетероциклов, часто встречающихся в структуре лекарственных препаратов. Результаты исследований опубликованы в журнале Chemical Communications.
Команда студентов ВШЭ получила медали РАН: «Разрабатываем материалы на основе редкоземельных элементов»
Студенты факультета химии Высшей школы экономики демонстрируют высокие результаты в образовательной деятельности и достижения в научной среде каждый год: побеждают в исследовательских конкурсах, разрабатывают собственные проекты, публикуют статьи в престижных научных журналах. Среди последних достижений — трое студентов-химиков удостоились медалей Российской академии наук. Вместе со своим руководителем они рассказали «Вышке.Главное» о своем проекте.
Ученые создали самую стабильную 3D-модель трансмембранного домена S-белка коронавируса
Команда российских ученых с участием исследователей из МИЭМ НИУ ВШЭ представила 3D-модель трансмембранного (ТМ) домена S-белка вируса SARS-CoV-2. Недавние исследования показывают, что ТМ-домен влияет на процесс передачи генетической информации, но точного понимания его роли еще нет. Созданная модель поможет детальнее понять механизм работы вируса и применять эти знания для разработки нового типа лекарств. Исследование опубликовано в журнале International Journal of Molecular Sciences.
Победитель Международной олимпиады по химии стал студентом нового бакалавриата Вышки
30 июля в Париже состоялась церемония награждения победителей 51-й Международной школьной олимпиады по химии (IChO 2019). Все четверо членов сборной России завоевали золотые медали, разделив первое место со сборной Кореи. В составе российской команды был Даниил Бардонов — выпускник московской школы №179, а теперь студент образовательной программы «Химия» ВШЭ. В комментарии новостной службе он рассказал о том, почему выбрал Вышку и чем хотел бы заниматься в будущем.
Химия, биология, городское планирование: первый набор в Вышке в этом году
В 2019 году Высшая школа экономики открывает прием на три новые бакалаврские программы — по химии, биологии и городскому планированию — на трех новых факультетах. Рассказываем, чему и как на них будут учить и какая карьера ожидает их выпускников.
На факультетах химии и биологии и биотехнологии ВШЭ создаются базовые кафедры институтов РАН
Ученый совет ВШЭ одобрил открытие на новых факультетах Вышки базовых кафедр пяти институтов Российской академии наук. Студенты получат доступ к лабораторному оборудованию и смогут своими глазами увидеть, как проводятся современные исследования и разрабатываются новые технологии и лекарства.
В Вышке открывается бакалаврская программа по химии
В 2019 году в Высшей школе экономики пройдет первый набор на бакалаврскую программу «Химия», открытую на новом одноименном факультете. О том, как будет устроена программа и почему стоит идти изучать эту науку именно в Вышку, рассказывает руководитель программы, член-корреспондент РАН Андрей Ярославцев.