Больше четверти населения Земли — свыше 2 млрд человек — лишены полноценного доступа к питьевой воде, по оценкам ООН. И недостаток в пресной воде только возрастает. Однако новые технологии могут его восполнить.
Среди них — уникальная разработка российских ученых для очистки не только воды, но и воздуха от органических загрязнений — композитный сорбент на основе оксида графена. Новейший материал создали ученые Центра Национальной технологической инициативы (НТИ) «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» МГТУ им. Н.Э. Баумана, в консорциуме которого 17 компаний, в числе которых Институт проблем химической физики РАН (ИПХФ РАН). Сегодня они продолжают оптимизировать состав и структуру сорбента.
Композитный сорбент (аэрогель) на основе оксида графена имеет высокопористую структуру, что позволяет задерживать загрязнения в виде пыли или других мелких частиц микронного размера, обладает антибактериальными эффектами, а также имеет супергидрофобные свойства, поэтому его можно использовать как на суше, так и на воде. Уникальность сорбента еще и в том, что использовать его можно многократно — в режиме «сорбция-десорбция» он выдерживает не менее 10 циклов выпаривания или выжигания загрязнителя.
Под загрязнителями подразумеваются красители, растворители и другие химические отходы предприятий легкой промышленности. Сегодня ученые ИПХФ РАН и Центра НТИ оптимизируют сорбент для применения во время сбора и утилизации аварийных разливов нефти, нефтепродуктов и не смешиваемых с водой растворителей. В первую очередь, материал будет использован в этих целях.
«Обычно коммерческие сорбенты не обладают супергидрофобными свойствами, поэтому при сборе загрязнителей в виде, например, нефти с водных поверхностей, частично захватывают и воду, что снижает их сорбционную емкость. Наш материал будет собирать только органику, отталкивая воду. Как сорбент, аэрогель показал высокую сорбционную активность и сорбционную емкость по отношению к большому числу органических растворителей, а также нефти и нефтепродуктам. Аэрогель способен впитать от 15 до 23 раз больше собственного веса. По сравнению с коммерческими сорбентами, емкость нашего материала выше более чем в 2 раза по нефти», — рассказал директор Центра НТИ «Цифровое материаловедение: новые материалы и вещества» на базе МГТУ им. Н.Э. Баумана, д.т.н. Владимир Нелюб.
Кроме того, для удобства практического применения сорбент может изготавливаться в виде гранул, цилиндрических изделий или даже блоков. Гранулы представляют собой сферы или полусферы диаметром всего 6-10 миллиметров. Такая форма может быть удобна для массового применения в экологических целях. Блочные изделия могут быть использованы, например, в боновых заграждениях.
«Пока за рубежом аналогов такого аэрогеля нет. Сейчас оформлена заявка на патент. Патентуется сам аэрогель в виде супергидрофобного сорбента и способ его получения», — рассказала заместитель директора ИПХФ РАН Эльмира Бадамшина.
Что он еще сможет?
Ученым, входящими в консорциум Центра НТИ, еще предстоит много работы по усовершенствованию состава, свойств и расширению сферы применения аэрогеля. К примеру, они будут трудиться над тем, чтобы использовать сорбент в системах фильтрации воздуха. Теоретически это возможно. Кроме того, планируется создать технологию, при которой грязную воду можно очистить до уровня питьевой. Но здесь не получится обойтись только возможностями аэрогеля, потребуется и другие материалы.
«Для очистки от органических загрязнений, не растворенных в воде, аэрогель работать будет. Но будет ли работать в случае загрязнений, растворенных в воде, пока сказать трудно», — рассказала Эльмира Бадамшина.
Может ли новая технология превращать соленую воду в пресную? Пока об опреснении речь не идет. Однако потенциал у графеновых материалов в этом направлении есть. Сегодня многие ученые мира работают над тем, чтобы использовать мембраны из оксида графена для процессов обратного осмоса и ультрафильтрации, при которых мембраны пропускают сквозь себя только молекулы воды, а все соли и загрязнения смываются в дренаж.
«В целях оптимизации состава аэрогеля в 2022 году планируется получить сорбент, который обладал бы магнитными свойствами. Это необходимо для более удобного сбора отработанного сорбента с помощью магнитных ловушек. Для очистки от микробных загрязнений и колоний бактерий (биопленок) планируется ввести в состав сорбента антибактериальные компоненты. Оксид графена, входящий в состав сорбента, также обладает антибактериальными свойствами, поэтому другие противомикробные компоненты лишь усилят это действие», — добавил Владимир Нелюб.
Очевидно, что сорбент на основе оксида графена — разработка уникальная и крайне необходимая в современном мире. Ожидается, что она выйдет на рынок в 2025-2026 годы. Пока что ученым трудно предсказать, насколько получение такого аэрогеля будет дешевым. Дело в том, что оксид графена сегодня является материалом с высокой стоимостью. Однако технология его получения неплохо масштабируется и в будущем его можно сделать относительно дешевым.
