Ученые создали основу для долговечных фильтров очистки воды
МОСКВА, 28 окт — РИА Новости. Основу для очистки воды, способную выдерживать многократную стерилизацию перегретым паром, разработали ученые КБГУ в составе исследовательского коллектива. После 270 часов воздействия при температуре 121 °C и давлении 1,3 бар созданные мембраны сохранили свои механические свойства, пористую структуру и скорость фильтрации воды. Результаты опубликованы в журнале Separation and Purification Technology.
Половолоконные мембраны похожи на миниатюрные пористые трубочки: их стенки пропускают воду, но задерживают частицы растворенных веществ, вирусы и бактерии. Множество таких волокон можно собрать в компактный фильтрующий модуль. Как отметили авторы, обычно для их изготовления используют полимеры — полисульфон, полиэфирсульфон и поливинилиденфторид.
Однако со временем на поверхностях фильтрующего элемента возникают биопленки из микробов. Биопленки мешают прохождению воды и затрудняют ее очистку, что значительно снижает производительность, увеличивает энергопотребление в биотехнологических процессах (из-за перепада давления на разных сторонах мембраны), сокращает срок службы и повышает затраты. Один из способов справиться с этим — стерилизация мембраны перегретым паром в автоклаве. Но не каждый фильтрующий материал способен многократно переносить такую обработку: при нагревании поры могут изменить размер и форму, в результате фильтр работает хуже.
Ученые Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (КБГУ) совместно с коллегами из Института нефтехимического синтеза Российской академии наук (ИНХС РАН) синтезировали около 30 вариантов полифениленсульфона — термостойкого полимера.
"Мы исследовали их химическую структуру и молекулярную массу и выбрали наиболее подходящий. В ИНХС РАН из него получили половолоконные мембраны, изучили структуру пор, прочность, скорость прохождения воды и способность задерживать примеси. После этого проводили повторные циклы обработки паром в автоклаве при 121 °C и снова проверяли характеристики", — рассказал один из автор исследования, ведущий научный сотрудник Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Илья Борисов.
Мембраны выдержали многократную обработку паром общей продолжительностью 270 часов. После испытаний, как отметила соавтор разработки, младший научный сотрудник ИНХС РАН Алиса Борисова, волокна сохранили форму, пористую структуру, скорость фильтрации и способность задерживать примеси.
"Предельный срок службы в эксперименте достигнут не был, но полученный результат показывает большой запас устойчивости. Такие мембраны могут быть полезны при получении безопасной пресной воды в небольших поселениях и труднодоступных районах, где строительство централизованной системы водоподготовки затруднено или экономически нецелесообразно", — добавила Борисова.
По словам авторов, полученные результаты уникальны для мембран, изготовленных методом фазового разделения в растворах полимеров (NIPS) из коммерчески доступного конструкционного пластика. Высокая эффективность фильтрации в сочетании с продемонстрированной стабильностью в перегретом под давлением паре свидетельствует о том, что они обладают большим потенциалом для ультрафильтрационного удаления патогенов из воды в процессах, включающих периодическую стерилизацию в автоклаве.
Разработка может применяться — везде, где важно регулярно обеззараживать оборудование, например: в медицине, пищевой промышленности, фармацевтике и биотехнологиях. Многократное использование фильтрующих элементов после стерилизации может существенно уменьшить затраты на их замену, сократить простои оборудования и количество отходов.
В дальнейшем ученые планируют провести испытания мембран на реальных средах, определить их предельный срок службы и оценить влияние загрязнения, очистки и рабочего давления. Затем предстоит разработать мембранный модуль и перейти от лабораторного изготовления к производству крупных партий.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-19-00711).
Половолоконные мембраны похожи на миниатюрные пористые трубочки: их стенки пропускают воду, но задерживают частицы растворенных веществ, вирусы и бактерии. Множество таких волокон можно собрать в компактный фильтрующий модуль. Как отметили авторы, обычно для их изготовления используют полимеры — полисульфон, полиэфирсульфон и поливинилиденфторид.
Однако со временем на поверхностях фильтрующего элемента возникают биопленки из микробов. Биопленки мешают прохождению воды и затрудняют ее очистку, что значительно снижает производительность, увеличивает энергопотребление в биотехнологических процессах (из-за перепада давления на разных сторонах мембраны), сокращает срок службы и повышает затраты. Один из способов справиться с этим — стерилизация мембраны перегретым паром в автоклаве. Но не каждый фильтрующий материал способен многократно переносить такую обработку: при нагревании поры могут изменить размер и форму, в результате фильтр работает хуже.
Ученые Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х. М. Бербекова (КБГУ) совместно с коллегами из Института нефтехимического синтеза Российской академии наук (ИНХС РАН) синтезировали около 30 вариантов полифениленсульфона — термостойкого полимера.
"Мы исследовали их химическую структуру и молекулярную массу и выбрали наиболее подходящий. В ИНХС РАН из него получили половолоконные мембраны, изучили структуру пор, прочность, скорость прохождения воды и способность задерживать примеси. После этого проводили повторные циклы обработки паром в автоклаве при 121 °C и снова проверяли характеристики", — рассказал один из автор исследования, ведущий научный сотрудник Центра прогрессивных материалов и аддитивных технологий КБГУ Илья Борисов.
Мембраны выдержали многократную обработку паром общей продолжительностью 270 часов. После испытаний, как отметила соавтор разработки, младший научный сотрудник ИНХС РАН Алиса Борисова, волокна сохранили форму, пористую структуру, скорость фильтрации и способность задерживать примеси.
"Предельный срок службы в эксперименте достигнут не был, но полученный результат показывает большой запас устойчивости. Такие мембраны могут быть полезны при получении безопасной пресной воды в небольших поселениях и труднодоступных районах, где строительство централизованной системы водоподготовки затруднено или экономически нецелесообразно", — добавила Борисова.
По словам авторов, полученные результаты уникальны для мембран, изготовленных методом фазового разделения в растворах полимеров (NIPS) из коммерчески доступного конструкционного пластика. Высокая эффективность фильтрации в сочетании с продемонстрированной стабильностью в перегретом под давлением паре свидетельствует о том, что они обладают большим потенциалом для ультрафильтрационного удаления патогенов из воды в процессах, включающих периодическую стерилизацию в автоклаве.
Разработка может применяться — везде, где важно регулярно обеззараживать оборудование, например: в медицине, пищевой промышленности, фармацевтике и биотехнологиях. Многократное использование фильтрующих элементов после стерилизации может существенно уменьшить затраты на их замену, сократить простои оборудования и количество отходов.
В дальнейшем ученые планируют провести испытания мембран на реальных средах, определить их предельный срок службы и оценить влияние загрязнения, очистки и рабочего давления. Затем предстоит разработать мембранный модуль и перейти от лабораторного изготовления к производству крупных партий.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 22-19-00711).
ИсточникРИА Новости
