Как известно, многие регионы мира испытывают острый дефицит пресной воды. Один из путей его преодоления - опреснение воды морской. Беда лишь в том, что традиционно используемая для этого технология дистилляции, то есть, проще говоря, выпаривание и конденсация, чрезвычайно энергоемка. Именно это обстоятельство и побуждает инженеров работать над совершенствованием альтернативных методов опреснения воды.

Наиболее перспективной считается технология на основе так называемого обратного осмоса. Речь идет о подаче раствора, в данном случае морской воды, под давлением на специальную полупроницаемую мембрану, которая пропускает растворитель, то есть воду, и задерживает растворенное вещество, то есть морскую соль. В последние годы наиболее активно разработка таких специальных мембран ведется в Научно-исследовательском центре GKSS в городке Гестхахт на севере Германии. Здесь, в Институте изучения полимеров, уже давно разрабатывают мембраны самого разного назначения - для очистки сточных вод, для фильтрации выбрасываемых в атмосферу промышленных газов, для опреснения морской воды. "Вот эти последние мы и пытаемся усовершенствовать", - говорит профессор Клаус-Виктор Пайнеман (Klaus-Viktor Peinemann).

Толщина самой фильтрующей мембраны составляет всего 0,1 микрометра - это в сто раз тоньше человеческого волоса. Однако она должна выдерживать давление в 70, а то и 80 бар. Это возможно только при наличии специальной опорной структуры. Поэтому стандартная пленка для установок опреснения морской воды представляет собой нечто вроде трехслойного сэндвича: нижний слой - ткань с крупными порами, следующий слой - микропористая ткань с порами в полмикрометра, и лишь затем - сверху - полимерная фильтрующая мембрана.

Мембрана, утыканная нанотрубками

Установки на основе технологии обратного осмоса успешно функционируют, обеспечивая десятикратную экономию энергии по сравнению с технологией дистилляции. Правда, у ученых до сих пор нет единого мнения относительно механизма проникновения воды сквозь фильтрующую мембрану, однако большинство склоняется сегодня к тому, что вода просто диффундирует сквозь полимерный материал мембраны. Это и навело профессора Пайнемана на идею интегрировать в мембрану мельчайшие поры, столь тонкие, что они пропускали бы молекулы воды, но задерживали более крупные молекулы соли.

По словам ученого, для этой цели оптимально подходят так называемые углеродные нанотрубки - миниатюрные пустотелые цилиндрические структуры из чистого углерода. Внутренний диаметр нанотрубок, предназначенных для интеграции в фильтрующую мембрану, не должен превышать 1 нанометра - это в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса, - иначе сквозь них проскользнут и молекулы соли.

Расчеты показывают, что мембрана, густо усеянная такими миниатюрными капиллярами, теоретически способна обеспечить весьма значительное - от десяти- до стократного - увеличение скорости опреснения воды. Правда, эти расчеты пока не получили экспериментального подтверждения, - признается профессор Пайнеман: "До сих пор мы смогли в лаборатории получить лишь крохотные образцы такой наномембраны. Но те немногие измерения, которые нам все же удалось на них провести, говорят о реалистичности таких расчетных оценок".

Хаос дешевле порядка

Впрочем, на пути к серийному изделию разработчикам предстоит преодолеть еще немало трудностей. Во-первых, однослойные нанотрубки с указанными выше параметрами обходятся пока довольно дорого. Во-вторых, до сих пор никто не смог предложить эффективный метод интеграции миллионов нанотрубок в полимерную мембрану. Американские и австралийские исследователи, работающие в этом направлении, не жалеют сил на то, чтобы расположить нанотрубки в мембране строго упорядоченно, параллельно друг к другу и перпендикулярно к поверхности мембраны.

Профессор Пайнеман выбрал иной подход: "Поскольку толщина мембраны примерно 0,1 микрометра, а длина нанотрубок – 1-2 микрометра, мы просто добавляем как можно больше нанотрубок в полимер при производстве мембраны, ничуть не заботясь об их упорядочении. Ведь даже при самом хаотичном расположении нанотрубок окажется немало таких, которые протыкают мембрану насквозь, так что одно отверстие трубки находится по одну сторону мембраны, а второе - по другую. Этого должно быть достаточно".

Новый проект - новые партнеры

Пока профессору Пайнеману и его коллегам удалось таким методом повысить пропускную способность стандартной мембраны лишь на 40-50 процентов. Это хоть и немало, однако очень далеко от расчетных показателей. К тому же при этом слегка снизилась и эффективность опреснения - с 98 до 95 процентов. Так что о подлинном прорыве говорить пока рано. Но зато исследования, начатые пять лет назад в рамках недавно завершившегося европейского проекта NanoMemPro, ведутся теперь в рамках нового проекта CarboMembran, к которому подключились химический концерн Bayer - один из крупнейших производителей углеродных нанотрубок, - многопрофильный технологический концерн Siemens, а также Рейнско-Вестфальская высшая техническая школа в Ахене. А это уже внушает надежды на скорый успех.

Автор: Владимир Фрадкин
Редактор: Ефим Шуман