Доцент Ян Сяобинь из исследовательской группы профессора Шао Лу (члена Национальной ключевой лаборатории городских и сельских водных ресурсов и водной среды, сотрудника Института химии и химических технологий Харбинского политехнического университета) синтезировал биомиметическую каталитическую самоочищающуюся мембрану для очистки воды. Соответствующее исследование опубликовано в статье «Каталитические мембраны для очистки воды, имитирующие структуру листа лотоса и содержащие обогащённые кислородные вакансии, для эффективной очистки воды» (Lotus-leaf-mimetic catalytic cleaning membranes with enriched oxygen vacancies for efficient water purification) в журнале Nature Communications. Данная работа открывает новый технический путь в сфере разработки и широкого применения высокоэффективных низкоуглеродных мембранных материалов для очистки воды.
Мембранное разделение под давлением являются ключевой технологией, обеспечивающей устойчивое развитие энерго-водных систем. Однако проблема загрязнения мембран долгое время ограничивала их практическое применение. Традиционные гидрофобные полимерные мембраны в процессе эксплуатации легко блокируются органическими загрязнителями, что ведёт к снижению потока, необходимости частых промывок и высоким эксплуатационным расходам. Кроме того, методы очистки с извлечением мембран сопряжены с большим расходом ресурсов и значительным воздействием на окружающую среду.
Вдохновившись микроструктурой и способностью к самоочищению природного листа лотоса, исследовательская группа инновационно применила мягкую двухстадийную стратегию конструирования интерфейса. Сначала на гидрофобной полимерной мембране-подложке был создан металлоорганический промежуточный слой HHTP‑Co, а затем с его помощью направлена контролируемая минерализация диоксида марганца. В результате обычная гидрофобная мембрана была преобразована в новый тип мембранного материала, обладающего тройными функциями: сверхгидрофильностью, подводной суперолеофобностью и каталитической самоочисткой. На поверхности этой биомиметической мембраны сформировалась микро-наноструктура, напоминающая поверхность ягоды малины, а на границе раздела – динамический водный барьер, аналогичный нано-воздушным камерам листа лотоса. Одновременно в процессе гетерогенной минерализации возникло большое количество кислородных вакансий, что значительно повысило каталитическую способность мембраны к удалению загрязнений.
При очистке маслосодержащих сточных вод мембрана продемонстрировала превосходную устойчивость к загрязнению и способность к регенерации непосредственно в процессе фильтрации. Теоретические расчёты выявили механизм сильного координационного взаимодействия между промежуточным слоем и ионами металла, что послужило теоретической основой для проектирования и приготовления аналогичных биомиметических каталитических мембран.
В исследовании также предложена модель оценки качества противообрастающих свойств мембран. Фактор качества противообрастания модифицированной мембраны в 24,8 раза выше, чем у контрольной мембраны. Модифицированная мембрана сохраняла хорошие разделительные свойства и структурную целостность в сложных условиях (в кислотных, щелочных, солевых средах) и может найти широкое применение в очистке промышленных маслосодержащих сточных вод, городских сточных вод, а также в обеспечении безопасности питьевой воды.
Биомиметическое интерфейсное конструирование противообрастающего барьера мембраны: (a, b) схема создания противообрастающей интерфейсной структуры с каталитической самоочисткой на полимерной мембране по аналогии с листом лотоса; (c, d) СЭМ-изображения поверхности листа лотоса; (e, f) СЭМ-изображения поверхности мембраны (M‑C‑M) после минерализации MnO₂, опосредованной Co‑HHTP; (g) карта распределения элементов на срезе мембраны M‑C‑M; (h) схематичная демонстрация результатов: при разделении эмульсии мембрана позволяет преодолеть компромисс между противообрастающей способностью и проницаемостью
Харбинский политехнический университет указан как основная организация-исполнитель (первая организация-корреспондент). Доцент Ян Сяобинь из Института химии и химических технологий – первый автор статьи. Профессор Шао Лу, академик Бекки Б. Мамба из Университет Южной Африки и профессор Алисия Кёнджин Ан из Гонконгского университета науки и технологии являются соавторами-корреспондентами. Академик Ма Цзюнь из Института экологии, аспиранты Бао Хунфэй, Ван Хаоян, Ли Янсюэ, магистранты Гао Жуньцзин и Ван Синьюй из Института химии и химических технологий приняли участие в исследовании.
Данное исследование выполнено при грантовой поддержке Государственного фонда естественных наук Китая, базовой исследовательской программы центральных университетов, собственных проектов Государственной ключевой лаборатории городских и сельских водных ресурсов и водной среды, а также других источников финансирования.