膜上の気泡パターンは水の脱塩効率を改善します

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膜上の気泡パターンは水の脱塩効率を改善します
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Anonim
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中国の化学者は、水淡水化用の新しいタイプの粗いポリアミド膜を合成しました。これは、同様の平らな膜よりも効率がはるかに優れています。膜の合成のために、科学者は反応拡散メカニズムを使用しました。これは、膜の作業面の面積を増やす気泡と拡張された折り目のシステムの表面に現れることにつながります、と科学者はScienceに書いています。

1952年、英国の数学者アランチューリングは、成分の拡散係数が異なる2成分系で起こる化学プロセスを理論的に説明した研究を発表しました。 Turingによって提案されたモデルは、化学反応の動力学だけでなく、時間の経過に伴う空間内の試薬の再分布も考慮に入れており、したがって、熱力学的から遠く離れた状態にある化学システムにおける定常周期構造の形成の可能性を予測しました平衡。たとえば、ベロウソフ・ザボチンスキー反応などの振動反応の可能性を理論的に説明するのはチューリングメカニズムです。さらに、そのようなプロセスは、生物学的表面または人工システムにおける化学的または幾何学的パターンの安定化の形成につながる可能性があります。

浙江大学のLinZhangが率いる中国の化学者のグループは、高分子膜を使用した海水淡水化の効率を改善するためにチューリング安定化メカニズムを使用することを提案しました。このために、膜は表面重合反応を使用して得られ、その速度は、2つの空間的に分離された物質(触媒と阻害剤)の濃度によって決定されます。科学者たちは、チューリングメカニズムを実装するには、抑制剤の拡散速度が触媒の拡散速度よりも高くなければならないことに注意しています。

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表面に一次元または二次元のパターンを持つチューリング膜の反応拡散形成のスキーム

この場合、科学者はこのメカニズムを使用して、ポリアミドの表面重合の反応を実行し、ピペラジンを反応の活性剤として使用し、塩化トリメソイルを阻害剤として使用しました。反応器の有機物と水性の半分を分離する固体多孔質支持体上に高分子膜を合成した。活性剤と阻害剤は異なる相で溶解するため、反応のさらなる過程で、それらの1つがナノポアを貫通する必要があります。これにより、拡散係数が約10倍異なり、最終的にはチューリングタイプの膜。

そのような膜の個々の小さな領域における触媒および抑制剤濃度の不均一な空間分布のために、重合が加速され、それは膜領域の局所的な増加につながる。その結果、これらの領域は表面から浮き上がり、システムの有機物の半分に水溶液の一種の「ポケット」を形成します。活性剤と阻害剤の初期濃度に応じて、2つの構造の膜がシステム内に形成される可能性があります:これらのポケットは1次元構造を持っています-実際、それらは基板の個々の細孔の上に単一の泡の形で配置されています-または拡張バンドに結合された場合の2次元構造。

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2種類のトリング膜の顕微鏡写真:表面に一次元の気泡がある(左)と管状の層(右)

科学者たちは、合成された膜が水の脱塩に非常に効果的であると主張しています-正確には、作業面の面積を大幅に増加させる表面ポケットの存在のためです。定量的指標の観点から、両方の膜改質は、透過性と脱塩効率の両方において、固体多孔質基板上の平らなポリアミド膜よりも著しく効率的であることが判明しました。同時に、拡張された管状の形成からなる膜は、より大量の水ポケットが存在するため、より効果的であることが判明した。したがって、4.8気圧の圧力差で、第1のタイプの膜を通る水の流れは1時間あたり膜の平方メートルあたり約60リットルであり、第2のタイプの膜の場合は約2倍でした。同時に、塩化マグネシウムと塩化カルシウム、および硫酸マグネシウムと硫酸ナトリウムの脱塩効率は90%を超えていますが、塩化ナトリウムの場合のみ50%の範囲にあります。

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表面に一次元の気泡(左)と管状の層(右)を備えたチューリング型膜を使用した金ナノ粒子からの水の浄化のメカニズム

水の主流が実際に基板の上に突き出たポケットを通過することを示すために、科学者は同様の実験を行って、個々のイオンからではなく、金ナノ粒子から水を浄化しました。これらの粒子は電子顕微鏡ではっきりと見えるため、ろ過後の堆積場所から、膜表面の気泡から水が実際に浸透していることを確認することができました。

研究の著者が現代の市販の膜と比較していないという事実にもかかわらず、彼らの結果は、反応拡散制御を伴う化学プロセスを使用して膜を取得する彼らの提案された方法が、作業表面積を増やし、洗浄と脱塩。水。

同様の反応拡散反応が生物で起こります。たとえば、最近、ドイツの物理学者は、同様の理論を使用して、細胞膜上での複雑なタンパク質パターンの形成のダイナミクスを説明することができました。このようなパターンは、細胞の生命活動に必要であり、例えば、細胞分裂の前に膜をマークするために形成されます。

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