Группа ученых представила усовершенствованную мембрану, которая выполняет сразу две задачи: очищает воду от нефтяных загрязнений и использует солнечную энергию для опреснения.
Ирина Медведева
Многофункциональная мембрана повышает эффективность производства пресной воды из загрязненной морской воды. Иллюстративное изображение. Источник: InterestingEngineering
Прежде, чем опреснять — очистить
Из-за роста численности населения и активного промышленного освоения в ряде регионов — особенно в Африке, на Ближнем Востоке и в Юго-Восточной Азии — проблема дефицита пресной воды становится все острее. Это усиливает потребность в надежных и возобновляемых источниках водоснабжения. Одним из перспективных направлений считается солнечное опреснение: оно позволяет получать пресную воду из морской при сравнительно небольших затратах энергии.
Однако на практике все не так просто. Вблизи портов, оживленных судоходных маршрутов и промышленных объектов морская вода часто содержит нефтяные примеси. Эти загрязнения оседают на опреснительных мембранах, забивают их и существенно снижают продуктивность работы оборудования.
Хотя многие экспериментальные установки для солнечного опреснения показывали обнадеживающие результаты в лабораторных условиях на чистой соленой воде, их поведение при работе с загрязненной морской водой оставалось неясным. Именно этот пробел попытались закрыть авторы новой разработки.
Новый тип мембраны для солнечного опреснения
Чтобы решить эту задачу, исследователи из Пусанского национального университета создали многофункциональную гидрогелевую мембрану. Она объединяет в себе фильтрацию нефтяных частиц и опреснение за счет солнечного тепла в рамках одной конструкции.
Руководил работой профессор Санхён Чон из департамента гражданского и экологического строительства. Разработанная система одновременно избавляет воду от нефтяных загрязнений и производит пресную воду, что исключает необходимость в отдельных этапах очистки. Статья о результатах была размещена в интернете 1 июня 2026 года, а в печатной версии появится в октябрьском номере журнала Desalination (выход намечен на 15 октября 2026 года).
Отправной точкой для инженеров стала потребность в избирательной фильтрации воды. В итоге они сконструировали мембрану с так называемой «янус»-архитектурой, где каждая из двух сторон отвечает за свою конкретную функцию. Одна сторона выполнена гидрофильной: она состоит из гидрогеля на основе хитозана и поливинилового спирта. Эта часть свободно пропускает воду, но при этом задерживает капли нефти.
Противоположная сторона, наоборот, гидрофобна. В ее состав входят наночастицы оксида меди в углеродной оболочке, которые встроены в слой нановолокон. Такое двустороннее строение позволяет мембране эффективно справляться с разными типами загрязнений и обеспечивает более качественное опреснение и отделение масла.
Удаление масла и ускоренное испарение под воздействием солнечного света
Разделив задачи между разными слоями, авторы избежали нежелательного взаимодействия между процессами нефтеотделения и генерации солнечного тепла — проблема, характерная для однослойных конструкций. Гидрофобная поверхность поглощает солнечный свет, превращает его в тепловую энергию и тем самым стимулирует испарение воды с поверхности мембраны.
В ходе испытаний мембрана продемонстрировала удаление более 99,99% нефти из загрязненной пробы, причем стабильность сохранялась как для капель разного размера, так и в течение множества повторных циклов. В экспериментах по солнечному опреснению скорость испарения составила порядка 0,05 галлона на квадратный фут в час — это почти втрое выше аналогичного показателя у традиционных однослойных мембран.
Как отметил профессор Чон, представленная технология способствует более экологичному подходу к водоочистке: она использует возобновляемую солнечную энергию и позволяет совмещать удаление примесей с получением пресной воды на единой платформе. Такой комплексный метод может снизить энергопотребление, упростить технологическую цепочку и минимизировать образование вторичных отходов по сравнению с привычными способами опреснения.
По оценке исследователей, созданная мембрана открывает более широкие перспективы для разработки водоочистных систем следующего поколения. Интеграция сразу нескольких функций очистки в единую архитектуру может стать основой для создания более производительных и гибких установок, применимых далеко за пределами узкой задачи опреснения.
Новизна предложенного подхода заключается не только в объединении двух ключевых функций в одной конструкции, но и в самом принципе «янус»-архитектуры, который позволяет обойти фундаментальное противоречие между смачиваемостью и теплопередачей.
В традиционных однослойных мембранах гидрофильные материалы, хорошо пропускающие воду, как правило, хуже поглощают солнечный свет, тогда как гидрофобные поглотители, эффективно преобразующие излучение в тепло, быстро забиваются загрязнениями.
Разнеся эти задачи по разным сторонам, исследователи получили систему, в которой фильтрация нефти и генерация пара не конкурируют за одни и те же активные центры, а работают параллельно. Подобное решение снижает требования к предварительной подготовке воды и сокращает частоту обслуживания установки, что критически важно для автономных или удаленных объектов водоснабжения.
Преимущества технологии
Лабораторные данные подтверждают практическую состоятельность технологии. Удаление 99,99% нефтяных примесей — это не предельное лабораторное достижение, а устойчивый результат, воспроизводимый в течение множества циклов эксплуатации.
Это означает, что мембрана сохраняет свою селективность даже при переменной концентрации загрязнителя и разном размере капель, что приближает ее к реальным условиям морских акваторий.
Показатель испарения в 0,05 галлона на квадратный фут в час может показаться скромным, однако при умножении на площадь типового модуля солнечного опреснителя это дает значительный суточный выход пресной воды, сравнимый с производительностью традиционных пленочных испарителей, но без затрат на внешнее топливо и сложное насосное оборудование.
Важным аспектом является устойчивость к деградации, которую обеспечивает углеродная оболочка вокруг наночастиц оксида меди. Она защищает металл от окисления и вымывания, что предотвращает вторичное загрязнение воды ионами тяжелых металлов.
Кроме того, гидрогелевая основа на хитозане — это биополимер, который производится из отходов переработки морепродуктов.
Такое сочетание означает, что сама мембрана не становится источником новых токсичных отходов после выработки своего ресурса. Это делает технологию более привлекательной с точки зрения полного жизненного цикла изделия, что особенно актуально для экологически чувствительных регионов.
Переход к промышленному применению
Переход от лабораторного прототипа к промышленному применению потребует решения нескольких масштабных задач. Во-первых, необходимо отработать технологию массового производства гидрогелевых слоев большой площади без потери однородности свойств.
Во-вторых, предстоит испытать мембрану в длительных полевых условиях с реальной морской водой, содержащей не только нефть, но и биологические обрастания и минеральные взвеси.
В-третьих, экономическая модель солнечного опреснения должна учитывать не только капитальные затраты на мембрану, но и стоимость ее замены и утилизации.
Тем не менее, если эти вопросы будут решены, подобная двухфункциональная платформа сможет стать основой для модульных установок, обслуживающих небольшие прибрежные поселения, рыболовецкие суда и островные инфраструктуры, где доступ к централизованному водоснабжению затруднен или крайне дорог.
Наконец, концепция «янус»-мембраны не ограничивается нефтью и опреснением. Тот же принцип разделения противоположных функций может быть адаптирован для удаления органических красителей, тяжелых металлов или микропластика, а также для других термически активируемых процессов, таких как стерилизация или концентрация растворов.
Поскольку солнечная энергия доступна практически бесплатно в тропических и субтропических широтах, где дефицит пресной воды наиболее острый, предложенный подход может стать одним из ключевых элементов в арсенале технологий климатически адаптивного водоснабжения.
Это не просто очередной лабораторный курьез, а практический шаг к интеграции возобновляемой энергетики и водной безопасности в единую инженерную систему, способную работать в самых неблагоприятных условиях.