Текущий стандарт создания этих фильтров относительно прост, но не дает многого в плане предоставления им дополнительных функций. Это особенно необходимо, когда речь идет о «биообрастании»."Биологический материал, который они должны фильтровать, включая бактерии и вирусы, застревает на поверхности сетки, блокируя поры слизистыми остатками.
Помимо уменьшения потока, такие биопленки могут потенциально загрязнять любую жидкость, попадающую на другую сторону фильтра.
Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета нашли новый способ создания мембран, который может решить эту проблему.
Их метод позволяет им добавлять множество новых возможностей с помощью функциональных наночастиц, которые прилипают к поверхности сетки.
Они продемонстрировали этот новый процесс с мембранами, которые блокируют загрязнения размером с бактерии и вирусы, не позволяя им прилипать, – свойство, которое значительно повысило бы эффективность и срок службы фильтра.
«Противообрастающие» мембраны, которые они протестировали, сразу же пригодятся в относительно простых применениях, таких как фильтрация питьевой воды, и в конечном итоге могут быть использованы для удаления маслянистых соединений, содержащихся в сточных водах гидроразрыва, и других тяжелых загрязнителей.
Метод исследователей, описанный в статье, недавно опубликованной в журнале Nature Communications, позволяет создавать мембраны из широкого спектра полимеров и наночастиц.
Помимо противообрастающих свойств, будущие наночастицы могут катализировать реакции с загрязнителями, разрушая их или даже превращая их во что-то полезное.
Исследованием руководили Дэён Ли, профессор кафедры химической и биомолекулярной инженерии Penn Engineering, и Кэтлин Стебе, заместитель декана Penn Engineering по исследованиям и профессор химической и биомолекулярной инженерии Richer & Elizabeth Goodwin, а также Мартин Ф. Хаасе, доцент Университета Роуэн, который разработал технологию в качестве постдокторанта в лабораториях Стебе и Ли.
Харим Чон, Ноа Хаф и Чон Хак Ким также внесли свой вклад в исследование.
Новый метод создания мембран, созданный исследователями, основан на использовании особого типа жидкой смеси, известной как «биконтинуальный эмульсионный гель с межфазными помехами» или «бижель»."В отличие от эмульсий, которые состоят из отдельных капель, масляная и водная фазы бижелей состоят из плотно переплетенных, но полностью связанных сетей. Наночастицы, попавшие в эмульсию, попадают на поверхность раздела между масляной и водной сетями.
Ли, Стебе и Хаазе ранее разработали новый способ изготовления бижелей, который позволяет использовать более широкий спектр компонентов, который они описали в статье о передовых материалах 2015 года.
Теперь они показали способ сделать твердый фильтр тем же методом.
"Мы знали, что эта технология многообещающая", – сказал Стебе. "Некоторые из этих обещаний теперь претворяются в жизнь."
Как и в случае с их более ранними бижелями, этот фильтр начинается как переплетенная сеть из воды и масла, с плотным слоем наночастиц, разделяющих их. Но, используя масло, которое может быть полимеризовано УФ-светом, сшивая свободно плавающие отдельные молекулы в твердую трехмерную сетку, исследователи теперь могут укрепить структуру бижеля.
Важно отметить, что этот метод оставляет плотный слой наночастиц на поверхности полимера после того, как вода вытекла. Обычные способы изготовления полимерных мембран этого не допускают.
«Полимеры обычно ненавидят частицы и выбрасывают их, но интерфейсы любят частицы и улавливают их», – сказал Стебе. «Плотность наночастиц на поверхности наших полимеров зашкаливает. Они сбиты вместе, как песок в замке из песка."
Исследователи пропитали свои фильтры наночастицами кремнезема и превратили их в трубочки, похожие на соломинки. Наночастицы кремнезема можно модифицировать с помощью широкого спектра химикатов с различными функциональными возможностями, в том числе противообрастающими свойствами, которые протестировали исследователи.
Они продемонстрировали свои фильтрующие и противообрастающие свойства воды, содержащей наночастицы золота различных размеров.
«В нашем эксперименте мы смогли отфильтровать очень маленькие наночастицы золота размером, эквивалентным вирусам», – сказал Ли. «Форма трубки также хорошо подходит для крупномасштабного внедрения этих фильтрующих мембран. Поскольку они имеют большое отношение площади поверхности к объему и не забиваются, мы можем втягивать жидкость с боков и всасывать ее с конца, обеспечивая непрерывную фильтрацию."
«Мембраны обычно представляют собой пассивные материалы, которые не меняют свои свойства при изменении условий окружающей среды», – сказал Хаазе. "Интересным аспектом наших мембран является то, что их можно заставить открывать и закрывать поры в ответ на химический сигнал.
Эта уникальная особенность позволяет мембране иметь контролируемую проницаемость, что полезно для отделения различных типов загрязняющих веществ от воды."
Ли также является одним из главных исследователей REACT компании Penn Engineering, или отдела исследований и образования в области технологий активных покрытий для среды обитания человека. Эта многопрофильная программа направлена на улучшение убежищ, используемых для оказания помощи при стихийных бедствиях, и поэтому Ли взаимодействовал с аварийно-спасательными службами и поставщиками оборудования, такими как ShelterBox.
«Когда мы разговаривали с людьми в ShelterBox, они сказали, что людям нужна не просто палатка, а чистая вода», – сказал Ли. "REACT потенциально может сделать эти фильтры частью системы, которая выполняет оба."
В связи с тем, что во всем мире продолжается несколько кризисов беженцев, а миллионы людей все еще не имеют питьевой воды после урагана Мария, обрушившегося на Пуэрто-Рико, исследователи не упускают из виду важность этого события.
"Сейчас действительно есть люди, которым так нужны такие технологии."сказал Стебе.