Химики из Санкт-Петербурга совместно с китайскими коллегами предложили более экологичную альтернативу существующим системам очистки воды — мембраны на основе производных целлюлозы. Их планируют использовать для промышленности, но самая технология универсальна. С помощью разработки можно очищать как бытовую, так и питьевую воду. Важное преимущество технологии заключается в том, что мембраны биоразлагаемы, это снижает нагрузку на экосистемы. Однако говорить о промышленном применении и переходе на фильтры нового поколения до промышленной апробации рано, рассказали опрошенные «Известиями» эксперты.

Какие мембраны используют для очистки воды

Химики Санкт-Петербургского государственного университета совместно с коллегами из Тяньцзиньского университета (Китай) создали эффективные и экологически безопасные ультрафильтрационные мембраны для водоочистки на основе производных целлюлозы. Как пояснили «Известиям» разработчики, сегодня для очистки воды в качестве мембран используются полимеры на основе нефти, такие как полисульфон, полиэфирсульфон, полиамиды и поливинилиденфторид.

Эти материалы обладают хорошими механическими свойствами и справляются со своей задачей, однако их применение связано с серьезными экологическими рисками и приводит к зависимости изготовителей таких фильтров от нефтехимического сырья. Кроме того, производство таких материалов оставляет значительный углеродный след, а утилизация отходов приводит к выработке токсичных веществ и образованию микропластика, который может накапливаться в воде и почве.

— Наша научная группа разработала ультрафильтрационные мембраны из композиции ацетата и нитрата целлюлозы, специально предназначенной для разделения белковых растворов. Принцип работы основан на методе ультрафильтрации — процессе мембранного разделения под давлением по принципу сита. То есть мелкие частицы проходят сквозь фильтр, а крупные загрязнители остаются на нем, — рассказала автор исследования, профессор кафедры аналитической химии СПбГУ Анастасия Пенькова.

По ее словам, для создания мембран ученые использовали метод, при котором приготовленный полимерный раствор наносится на нетканую подложку, формируя тонкий однородный слой, который затем помещается в коагуляционную ванну. На завершающем этапе химики применили методы машинного обучения для оптимизации состава и улучшения их транспортных характеристик.

Мембраны будут использовать для промышленности, но сама технология универсальна. С помощью разработки можно очищать как бытовую, так и питьевую воду, рассказали в пресс-службе вуза. Данное исследование — первый опыт применения нитрата целлюлозы для создания ультрафильтрационных мембран, предназначенных для разделения белков. Для полной оценки их эффективности планируется продолжить работы по масштабированию технологии и изучению их долговременной стабильности.

Преимущества новой технологии

Уже сейчас можно выделить ключевые преимущества новой технологии: использование возобновляемого сырья, частичная биоразлагаемость, что снижает нагрузку на экосистемы, а также более низкая себестоимость по сравнению с синтетическими аналогами, рассказали ученые. Кроме того, инновационные мембраны демонстрируют рекордную производительность при фильтрации белка, сохраняя при этом фильтрующие свойства. Так, при схожих значениях задержания и противообрастающих свойств, новые мембраны продемонстрировали более чем в 1,5 раза большую производительностью по сравнению с аналогами из ацетата целлюлозы, представленными в научной литературе.

Изготовление фильтров из возобновляемых материалов — это важное направлением исследований, рассказал «Известиям» член Общественного совета при Минприроды России, главный редактор интернет-журнала «Отходы и ресурсы» Владимир Пинаев.

— В то же время в данном случае в качестве фильтра используются производные целлюлозы. Важно учитывать воздействие на окружающую среду при их производстве, в том числе в промышленном масштабе. Возникает вопрос, если технология применяется для белковых растворов, насколько успешно ее можно использовать для фильтрации воды и какого качества будет она после фильтрации. Говорить о промышленном применении и переходе на фильтры нового поколения до промышленной апробации рано, — сказал эксперт.

Важно отработать новый метод очистки в различных условиях и разными загрязнителями. Отдельно также рассматриваются процессы утилизации новых фильтров и весь их жизненный цикл в целом, сказала зам директора Института экологии РУДН, член общественного совета базовой организации государств-участников СНГ по экологическому образованию Ирина Головачева.

— Экономическая оценка процесса будет зависеть от эффективности и качества воды после очистки. Если дополнительные действия не нужны, то это считается преимуществом метода. Пропускаемость фильтров (объемы воды, которые можно очистить конкретной поверхностью фильтра) и срок их службы станут первым аргументов в пользу использования в промышленных масштабах, — отметила она.

Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Carbohydrate Polymers.