Умные керамические фильтры
Новый нанокомпозитный материал улучшит свойства электрохимических датчиков и мембран из электропроводной керамики. Усовершенствованные мембраны смогут выборочно выделять и пропускать одни ионы и «отвергать» другие, сообщает пресс-служба Сибирского федерального университета (СФУ).
Электропроводящая керамика широко используется для создания мембран, незаменимых в пищевой и химической промышленности, в полиграфии и при производстве текстиля, энергетике и многих других отраслях, где есть необходимость очистки, разделения жидкостей и водоподготовки. Такие мембраны рассчитаны на контакт с различными химическими веществами и могут использоваться при повышенных температурах и высоком давлении, а также для сохранения высокой чистоты процесса.
— Из ярких примеров — это очистка стоков от комплексных ионов драгметаллов и их выделение из стоков, — рассказал «Стимулу» один из авторов исследования, доцент кафедры композиционных материалов и физикохимии металлургических процессов СФУ Михаил Симунин. — Процесс очистки жидкости определяется ионоселективностью. Управление ионоселективностью осуществляется опосредованно по следующему механизму:
На каждой поверхности в воде в равновесии образуется заряд. Если поверхность проводящая, то, подавая разные электрические потенциалы, можно менять величину заряда на поверхности — поляризовать поверхность. В мембранах есть поры, на поверхности которых также есть заряд, если пора проводящая, то заряд можно также менять, тогда от стенки поры к ее центру будет возникать электрическое поле, и если пора наноразмерная, то вода в поре не может экранировать это поле, и тогда оно будет влиять на движение ионов через пору. Одни ионы будут как бы проскальзывать через пору, а другие вязнуть в ней».
Коллектив московских, петербургских и красноярских специалистов предложил новый тип керамических мембран с ионной селективностью на основе нафена, покрытых слоем углерода. Регулируя время осаждения, исследователи научились управлять пористостью мембраны, то есть формировать поры нужного размера для выделения нужных ионов. Кроме того, удалось показать, что в порах керамических мембран на поверхности углерода есть функциональные группы, которые и определяют механизм ионоселективности мембраны.
В новой разработке ученые применили технологию покрытия углеродом фильтрующих мембран, изготовленных из нановолокон оксида алюминия. «Успех самого сочетания в этом композите в том, что нановолокна оксида алюминия задают текстуру, морфологию и каркас для мембраны, а углерод дает проводимость этой пористой структуре. Мы разработали технологию, при которой углерод оседает не в поры мембраны, заглушая ее, а на ее поверхность», — пояснил Михаил Симунин.
В качестве основы мембраны исследователи взяли нафен, который был впервые получен эстонской компанией ANF Technologies. Он представляет собой пучок, состоящий из множества нановолокон оксида алюминия. Отдельное волокно имеет диаметр 10–15 нанометров, а его длина может составлять до нескольких сантиметров. Для изготовления мембраны нановолокна отделяют друг от друга, помещают в воду, осуществляют перемешивание с использованием магнитной мешалки и ультразвукового воздействия. Затем полученную субстанцию фильтруют через подложку с крупными порами, добиваясь хаотичного укладывания волокон нафена. Полученная структура подвергается тепловому воздействию для придания механической прочности.
Следующий важный шагом для придания мембране проводящих свойств — нанесение углеродного слоя. В специальной печи производится химическое осаждение из газовой фазы при помощи паров спирта и инертного газа. После ряда химических реакций образуется углерод, который «садится» на поверхность мембраны. Результатом этих манипуляций становится способность мембраны проводить электрический ток.
На поверхность нановолокон углерод оседает в виде графита, а далее уже на графит наносится слабоупорядоченный углерод в соответствии с температурой осаждения. То есть тонкие слои углерода на оксиде алюминия формируются с более совершенной структурой, чем толстые слои. По словам разработчиков, этот вывод открывает новые перспективы не только в композитных материалах, но и в наноэлектронике графеновых структур.
Помимо ученых СФУ участие в работе приняли исследователи Санкт-Петербургского государственного университета, Национального исследовательского университета «Московский институт электронной техники», Института вычислительного моделирования ФИЦ КНЦ СО РАН, а также Института химии и химической технологии СО РАН. Результаты исследования опубликованы в журнале Thermochimica Acta.
«Правительство Красноярского края планирует выделить средства на методику сертификации таких мембран, и мы уже сможем их выпускать ограниченными партиями в форме дисков 25 и 45 миллиметров», — рассказал Михаил Симунин.