Затем ученые достали образец и положили его на сито, под которым разместили контейнер. Когда выглянуло Солнце и осветило гель, он начал сжиматься и выделять воду. Анализ жидкости показал, что в ней не содержится опасных уровней самых распространенных загрязнителей. Конечно, подобный аксессуар не сможет заменить полноценные системы очистки, но для применения в полевых условиях или при отсутствии альтернатив устройство может спасти жизнь. Его плюсом также является то, что изготовление такого геля стоит очень дешево.

Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Энергия солнечного света поможет в очистке воды от загрязнений

Новую модель структуры соединений с фотокаталитическими свойствами разработали ученые Национального исследовательского Нижегородского государственного университета имени Н.И. Лобачевского (Университет Лобачевского). По словам авторов, результаты исследования открывают новые возможности использования энергии солнечного света для очистки воды от органических загрязнителей. Статья опубликована в журнале Journal of Solid State Chemistry, передает РИА Новости.

Попадание в сточные воды органических загрязнителей — циклических ароматических углеродов, пестицидов, фенола, полихлорированных дифенилов — частный побочный результат хозяйственной деятельности человека. Эти химические вещества и соединения негативно влияют на экосистему и, как следствие, на здоровье людей.

Сегодня ученые во всем мире работают над повышением эффективности систем очистки воды, в том числе методом фотокаталитического разложения органических ядов и химикатов. Фотокатализ — это ускорение химической реакции за счет взаимодействия специального вещества — фотокатализатора — с падающим светом. Некоторые фотокатализаторы при поглощении света способствуют окислению органических веществ, что используется для очистки сточных вод, отметили исследователи.

По их словам, на сегодняшний день в промышленных масштабах для этих целей применяется диоксид титана TiO2 — он дешев в производстве, однако реагирует на видимый свет в сравнительно в узком диапазоне, что существенно снижает его эффективность.

Ученые Университета Лобачевского синтезировали ряд веществ и экспериментально установили их фотокаталитические свойства.

"Мы смогли установить особенности соединений, принадлежащих к структурному типу β-пирохлора и предложили новую модель строения, опираясь на которую, спрогнозировали и синтезировали новые теллур-содержащие соединения. Полученные нами на этой основе фотокатализаторы, с одной стороны, соответствуют критериям, выдвигаемым к зонной структуре материала для осуществления соответствующих реакций, а с другой стороны — химически стабильны в водных растворах и органических растворителях, что позволит использовать их в течение длительного времени", — прокомментировала младший научный сотрудник лаборатории технологии высокочистых материалов НИИ химии Университета Лобачевского Диана Фукина.

Исследователи теоретически установили, какие именно реакции смогут фотокатализировать полученные материалы, определив их зонную структуру — взаимное расположение валентной зоны и краев зоны проводимости. Результаты измерений были проверены в ходе эксперимента с веществом метиленовым синим: два из четырех полученных соединений — CsTeMoO6 и RbTe1.5W0.5O6 — успешно разлагают краситель со степенью разложения около 100 и 50 процентов за 8 часов соответственно, рассказали ученые.

По словам Фукиной, полученные соединения позволяют работать в видимом диапазоне света, то есть напрямую использовать энергию солнечного света для инициирования запуска реакций фотокаталитического окисления. При использовании таких материалов в странах с высокой солнечной активностью в течение дня не будут нужны дополнительные затраты на электроэнергию для активации процесса, как это происходит в случае диоксида титана.

"Ученые во всем мире бьются над повышением эффективности фотокаталитического процесса различными способами. Например, существует способ модификации оксида титана добавлением серебра — активность повышается, но процесс производства сразу же становится более дорогим и сложным. В случае наших соединений, пусть некоторые реактивы будут и дороже оксида титана, но процесс синтеза достаточно простой, а модификации не требуются. Поэтому сейчас хоть и сложные на первый взгляд по составу, однако более простые с точки зрения синтеза соединения без драгоценных металлов кажутся более привлекательными", — объяснила Фукина.

Научная группа продолжает детальное исследование механизма процессов фотокаталитического разложения органики с использованием уже полученных соединений. Это позволит понять, каким образом необходимо модифицировать соединения, в каких условиях и применительно к каким процессам их эффективность будет максимальна.

Создан топливный элемент с питанием от почвы для доступной системы очистки воды

Инженеры Университета Бата показали, что можно улавливать и использовать энергию, создаваемую естественными реакциями, происходящими в микроорганизмах в почве. И, что самое важное, использовать ее на месте — для очистки воды. Подробности о разработке сообщает журнал Applied Energy.

Команда инженеров-химиков и электриков продемонстрировала потенциал дешевых простых «топливных элементов на почвенных микробах» (SMFC), закопанных в землю, для питания электрохимического реактора, очищающего воду .

Уже проверенная опытным путем концепция была продемонстрирована во время полевых испытаний на северо-востоке Бразилии. Выяснилось, что SMFC способны очищать около трех литров воды в день, что достаточно для удовлетворения ежедневных потребностей человека в воде.

Испытания проводились в Икапуи, рыбацкой деревне, расположенной в отдаленном полузасушливом месте, где основным источником питьевой воды является дождевая вода, а доступ к надежной электросети ограничен. Дождевая вода должна быть хлорирована, чтобы ее можно было пить. Однако неконтролируемое хлорирование не только вызывает неприятный вкус и запах, но и опасно для здоровья человека. Имменно поэтому местные ученые были в поисках безопасных методов очистки воды.

SMFC генерируют энергию за счет метаболической активности определенных микроорганизмов (электрогенов), естественным образом присутствующих в почве, которые способны переносить электроны за пределы своих клеток.

Сама система состоит из двух углеродных электродов, расположенных на фиксированном расстоянии друг от друга (4 см) и подключенных к внешней цепи. Один электрод, анод, погружен в почву, а другой, катод, подвергается воздействию воздуха на ее поверхности.

Электрогенные бактерии заполняют поверхность анода и, «поглощая» органические соединения, присутствующие в почве, они генерируют электроны. Эти электроны переносятся на анод и перемещаются к катоду через внешнюю цепь, генерируя электричество.

Ученые отмечают, что важным элементом их проекта по безопасной и экономной очистке воды является обучение новым технологиям. Полевые работы проводились вместе с учениками начальной школы и их учителями в проблемном регионе Икапуи, Бразилия. Они были обучены принципам работы, установке и обслуживанию системы.

Ученики EEF Professora Mizinha из начальной школы Икапуи, Бразилия, узнают о топливных элементах почвенных микробов. Предоставлено: Университет Бата.

Новый материал эффективно очистил воду от меди

Химики создали материал, который может избирательно захватывать определенные металлы. Эффективность этого процесса оказалась выше всех созданных ранее аналогов.

Современные системы водоочистки основаны на объемном разделении компонентов — они отделяют воду от других химических соединений вне зависимости от их опасности и ценности. Но водопроводная вода полна элементов, которые можно использовать в промышленных целях. В ней, например, много меди, которую можно использовать для создания множества устройств — от проводов до труб.

Для выделения меди из воды необходимы материалы, которые могли бы избирательно задерживать в себе атомы этого металла. Теперь исследователи создали прочный материал на основе цинка, который способен «вылавливать» из воды большую часть меди, содержащейся в ней. При создании этого материала авторы черпали вдохновение у бактериальных клеток, которые способны сорбировать определенные металлы для регулирования своего метаболизма. 

Новый материал называется салицилоксим имидазола цинка или просто ZIOS. Его кристаллы содержат крошечные каналы размером примерно с молекулу воды. Эти каналы расширяются при погружении материала в воду. Расширение этих структур позволяет молекулам воды свободно проходить через них. На стенках каналов происходит химическая реакция, благодаря которой материал связывается с ионами меди, содержащимися в воде.

Используя рентгеноструктурный анализ, ученые обнаружили, что материал обладает высокой селективностью при связывании с ионами меди в воде при низком рН, характерном для сточных шахтных вод. Результаты исследования показывают, что ZIOS может избирательно захватывать ионы меди со скоростью, в 30-50 раз превышающей скорость современных растворных методов. При этом материал остается очень стабильным в воде в течение 52 дней. Как только ZIOS удаляют из воды, его каналы сжимаются до изначального размера всего за одну наносекунду.

Ученые нашли надежный способ очистки воды от примесей

Исследователи из США обнаружили, что изменение наноразмерной структуры мембран приводит к более тщательной очистке воды. Так инженеры смогут создать более надежные фильтры.

Исследователи из Техасского университета в Остине, Университета штата Айова, химической компании Dow Chemical Company представили новый метод очистки воды, они описали его в журнале Science. Он базируется на понимании того, как мембраны фильтруют примеси из воды.

«Несмотря на то, что мы используем фильтры много лет, мы многого не знаем о том, как работают мембраны для фильтрации воды, — отметил Энрике Гомес, профессор химической инженерии и материаловедения и инженерии в Пенсильванском университете, который руководил исследованием. — Мы обнаружили, что то, как вы контролируете распределение плотности самой мембраны на наноуровне, действительно важно для эффективности производства воды».

Команда использовала мультимодальную электронную микроскопию, которая сочетает в себе атомарную детальную визуализацию с методами, раскрывающими химический состав. Так они определяли, какие минералы для опреснения являются непоследовательными по плотности и массе. Исследователи картировали вариации плотности полимерной пленки в трех измерениях с пространственным разрешением около одного нанометра, что составляет менее половины диаметра нити ДНК. По мнению Гомеса, этот технологический прогресс сыграл ключевую роль в понимании роли плотности в мембранах.

Раньше ученые считали, что чем толще мембрана, тем меньше вырабатывается воды. Однако оказалось, что между этими вещами практически нет корреляции. Filmtec, входящая сейчас в состав компании DuPont Water Solutions, производящей многочисленные продукты для опреснения воды, сотрудничала с исследователями и профинансировала проект, поэтому скоро они произведут толстые мембраны, которые в то же время являются проницаемыми. 

Ученые разработали алюминиевую панель: под определенным углом к солнцу она очищает воду

Исследователи из Университета Рочестера в США разработали алюминиевую панель, которая под определенным углом к солнцу очищает воду. Об этом сообщает Nature Sustainability.

Эксперименты, проведенные лабораторией, показывают, что этот метод снижает в воде уровень присутствия всех распространенных загрязнений: моющие средства, красители, моча, тяжелые металлы и глицерин. В результате получается жидкость, которую безопасно пить.

Исследователи разработали новую алюминиевую панель, которая более эффективно концентрирует солнечную энергию для испарения и очистки загрязненной воды. Команда создала технологию лазерной обработки, которая делает обычную алюминиевую смолу черной и, соответственно, поглощающей свет и суперактивирующей. 

Изображение: Courtesy of University of Rochester

Технология использует серию фемтосекундных (ультракоротких) лазерных импульсов преобразования поверхности обычного листа алюминия. Когда алюминиевая панель погружается в воду под углом к ​​солнцу, она вытягивает тонкий слой воды вверх по поверхности металла. В то же время почерневшая поверхность сохраняет почти 100% энергии, которую она поглощает от солнца, чтобы быстро нагревать воду. А структуры впитывающей поверхности изменяют межмолекулярные связи воды, еще больше повышая эффективность процесса испарения.

Эти три процесса вместе позволяют технологии работать лучше. Это простой, надежный и недорогой способ преодоления глобального водного кризиса, особенно в развивающихся странах.  

Чунлей Го, профессор оптики в Рочестерском университете

Из графена сделали сверхэффективные фильтры для воды

Один слой графена хорошо, а несколько — лучше. И правда, ведь несколько слоев графена могут образовать наноканалы, которые эффективно очищают жидкости от примесей

В последнее время ученых все больше привлекают многослойные наноматериалы. Если сложить вместе несколько листов, например, графена, между ними будут формироваться пространства определенной формы, в которых можно хранить или синтезировать какие-либо соединения, а также использовать их для фильтрации.

При определенном положении листов относительно друг друга между ними формируются наноканалы, которые можно использовать для очистки жидкости от примесей. Однако есть одна проблема: при обычном методе синтеза каналы в таких листах ориентированы горизонтально — вдоль плоскости графенового листа. Это значит, что если вода будет течь через такой материал, никакой фильтрации не будет, так как каналы расположены перпендикулярно потоку.

Но ученые придумали решение этой проблемы. Новый метод заключается в укладке графеновых листов на эластичную подложку, которая затем растягивается. После нанесения листов напряжение с подложки убирают и она сжимается. Когда это происходит, многослойная структура на подложке «сморщивается», формируя вертикальные каналы.  

Как только каналы становятся почти вертикальными, материал помещают в эпоксидную смолу, а затем обрезают его верхнюю и нижнюю части, чтобы открыть доступ к наноканалам. Исследование показало, что водяной пар может легко проходить через графеновый фильтр, в то время как гексан — более крупная органическая молекула — задерживается им. Исследователи планируют продолжить разработку технологии, ориентируясь на потенциальные промышленные или бытовые применения.

 

Hurt lab / Brown University

Строение графеновой мембраны

Статья об открытии опубликована в журнале Nature Communications.

Химики выяснили, как создать эффективные фильтры для воды

Исследователи проанализировали влияние характеристик поверхности полупроницаемой мембраны на ее эффективность в фильтрации воды. В результате авторы показали, фильтры с какими характеристиками будут наиболее эффективны в отделении воды от примесей.

Спрос на питьевую воду растет по всему миру, но предложение далеко не всегда успевает его покрывать. Для обеспечения этого спроса необходимы более производительные методы очистки воды. Синтетические полупроницаемые полимерные мембраны — один из перспективных классов таких материалов, который как нельзя кстати подходит для удаления загрязняющих веществ.  

Однако существующие пробелы в знаниях ограничивают совершенствование мембранной технологии и повышение эффективности очистки воды с их помощью. Одной из основных проблем является изучение того, как взаимодействия между растворенными веществами и поверхностями мембран влияют на различные этапы процесса очистки воды.

Авторы нового исследования решили восполнить этот пробел в знаниях. Для этого химики создали компьютерный алгоритм, который моделировал поверхность полимерной полупроницаемой мембраны. Программа постепенно изменяла конфигурацию поверхности материала, добавляя к ней новые химические группы или удаляя их. В процессе она следила за изменением эффективности мембраны в фильтрации воды. 

С помощью моделирования ученые обнаружили, что сродство поверхности материала к растворенным веществам слабо связано с растворимостью примеси в воде и другими показателями, которые ранее считались важными. Авторы обнаружили более сильную связь между сродством поверхности и изменением структуры молекул воды вблизи нее и молекул растворенных веществ.  

В некоторых случаях молекулы H₂O были вынуждены выстроиться в энергетически невыгодные структуры, но двигаясь ближе к гидрофобным поверхностям, примеси могли бы затем уменьшить количество таких молекул воды, увеличивая тем самым сродство жидкости к поверхности мембраны.

Статья об открытии опубликована в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences.