Мембрана может хорошо задерживать соль и при этом пропускать небольшую незаряженную молекулу. Для повторного использования воды это существенная разница. Исследователи встроили в тонкий полимерный слой искусственные водные каналы: в лабораторном испытании мембрана задержала 93,9% N-нитрозодиметиламина, а площадь рабочего образца составляла всего 6,25 квадратного сантиметра.
Статья опубликована 16 октября в Nature Communications как принятая работа, ещё проходящая окончательное издательское оформление. Авторы исследовали, как устройство каналов влияет на перенос воды и примесей через мембрану обратного осмоса. Полученный результат относится к испытанным растворам и образцам; питьевое качество воды по нему не устанавливали.
Почему маленькая примесь трудна для мембраны
В обратном осмосе давление заставляет воду проходить через тонкий разделяющий слой. Такой слой хорошо удерживает многие растворённые соли, однако разные вещества проходят через него неодинаково. N-нитрозодиметиламин, сокращённо NDMA, — небольшое органическое соединение, которое при нейтральных условиях не имеет суммарного заряда. Его удержание особенно зависит от тесноты и свойств путей переноса внутри полимера.
Простое уплотнение слоя может улучшить задержание примеси, но одновременно затруднить проход воды. Поэтому исследователи попробовали изменить сами маршруты переноса: в полиамидную матрицу включили структуры с узкими водными каналами и гидроксильными группами на внутренних стенках.
Гидроксильная группа содержит кислород и водород. Она может образовывать с молекулами воды водородные связи — сравнительно слабые взаимодействия, которые постоянно возникают и разрываются. Согласно расчётам авторов, в канале такие связи достаточно подвижны: вода получает непрерывный путь, а не надолго закрепляется в одной позиции.
Для соли и NDMA прохождение через эти каналы оказалось энергетически менее выгодным. Такое различие позволяет одновременно облегчить движение воды и затруднить перенос выбранной примеси. Это молекулярное объяснение, а не сито с видимыми отверстиями.
Что показали измерения
Для выбранного образца авторы сообщают задержание NDMA 93,9 ± 0,1% и хлорида натрия 99,2 ± 0,3%. Эти показатели характеризуют снижение концентрации соответствующего вещества при прохождении через мембрану. Они не означают, что мембрана разложила примеси или удалила все возможные загрязнители.
Проницаемость по чистой воде составила 4,5 ± 0,2 литра на квадратный метр в час на бар. Последнее уточнение важно: показатель приведён к площади мембраны и перепаду давления, поэтому его нельзя читать как производительность целой установки. Испытания проводили в небольшой проточной лабораторной ячейке.
Исследователи не ограничились сравнением двух образцов. Они препятствовали формированию каналов в контрольных материалах и проверяли, как меняются свойства. Дополнительные измерения и моделирование использовали, чтобы отличить роль самих каналов от общего изменения полимерного слоя. Распределение тяжёлой воды внутри образца также сопоставили с расположением включённых структур.
Загрязнение поверхности осталось важной границей
В опытах с гуминовыми веществами модифицированная мембрана лучше сопротивлялась загрязнению, чем контрольный образец. Однако при сопоставимом снижении потока задержание NDMA уменьшалось у обоих материалов. Значит, результат для новой чистой мембраны нельзя автоматически переносить на её работу после накопления загрязнений.
Для практического повторного использования воды понадобится проверить длительную работу на реальном составе стоков, восстановление после очистки, стабильность разделяющего слоя и изготовление больших модулей. Одновременно нужно учитывать, куда уходит концентрат: мембранное разделение переносит значительную часть примесей в другой поток.
Работа показывает конкретный путь улучшения селективности — через устройство водных каналов и их взаимодействие с молекулами. Проверка такого пути в заводской установке остаётся следующим этапом, а не уже достигнутым результатом исследования.
Разобраться в принципе разделения поможет учебная страница EASY «Мембрана». Это общий материал для понимания процесса; новая исследовательская мембрана не заявлена как продукт EASY.
Концептуальная иллюстрация EASY: тонкая мембрана и лабораторная ячейка. Это не фотография оборудования авторов; изображение не показывает молекулярные каналы или доказанную чистоту воды.
Источники
Qiu и соавторы, Nature Communications, 16 октября 2026: принятая статья
