Математическая модель повысит эффективность опресняющих фильтров для воды
Математическую модель опреснения воды с помощью полимерных мембран обратного осмоса, которая поможет в разработке фильтров с повышенной эффективностью, создал международный коллектив ученых, 24 ноября сообщает портал «Научная Россия» со ссылкой на пресс-службу ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» (КНЦ СО РАН).
Дефицит запасов пресной воды является проблемой для многих регионов мира. Существующие прогнозы изменения климата предсказывают, что в ближайшие десятилетия нехватка пресной водны станет одной из главных угроз для жизни миллиардов людей.
Одними из вариантов решения этой проблемы является опреснение соленой воды и очистка сточных вод. В настоящее время наиболее применяемой из-за удобной технологии опреснения воды стала мембранная технология обратного осмоса. Почти 70% опресненной воды в мире получают именно таким методом.
Главным элементом таких установок опреснения являются тонкопленочные композитные мембраны, с помощью которых и происходит очищение воды от солей. На качество работы таких фильтров влияют рН воды и состав разделяемого раствора. Однако характер влияния этого воздействия до данного исследования был изучен еще недостаточно.
Устраняя этот пробел, исследователи КНЦ СО РАН вместе с коллегами из Нидерландов разработали модель транспортировки ионов через полимерную мембрану обратного осмоса.
Модель учитывает влияние рН воды на заряд поверхности мембраны и помогает оценить ее производительность. Расчеты предскажут потенциальные рабочие характеристики фильтрационных мембран при разделении определенных растворов. Эти результаты могут использоваться при разработке более эффективных фильтров и мембранных элементов.
Матмодель была экспериментально испытана в Университете Твенте (Нидерланды). Было установлено, что на пропускную способность ионов и свойства отфильтрованной воды существенно влияют заряд мембраны и pH поступающей воды.
Также рН воды оказывает влияние на ионизацию поверхности мембраны, которая при высокой концентрации ионов водорода в поступающей воде заряжается положительно, а при низкой — отрицательно.
Таким образом, при высоком pH заряд мембраны увеличивается вместе с задерживающей способностью для различных минеральных веществ, в том числе и соли.
Ведущий научный сотрудник Института вычислительного моделирования СО РАН доктор физико-математических наук Илья Рыжков пояснил:
«Изменение заряда поверхности мембраны и, следовательно, задержание ионов соли в значительной степени зависят от pH и состава сырьевой воды. Мы разработали модель, связывающую перенос всех ионов с селективными свойствами мембраны, которые определяются ее зарядом».
Модель спрогнозировала селективность и проницаемость мембран для различных ионов в зависимости от величины потока и исходной концентрации соли. Ученые установили, что, слабый заряд полиамидных мембран тем не менее играет важную роль при задержании ионов и формировании pH отфильтрованной воды.
«При помощи полученных данных можно предсказывать минеральный состав выходного потока, производительность мембран и эффективность работы фильтра», — отметил ученый.
Результаты исследования разработчики представили в статье «Влияние pH питающей воды на ионизацию мембранного заряда и удаление ионов обратным осмосом: экспериментальное и теоретическое исследование», опубликованной в Journal of Membrane Science.
