Разработка прочных фототермальных мембран на основе ППи с двойной функцией для одновременного получения пресной воды и соли

Преобразование солнечного света в питьевую воду и полезную соль

Миллиарды людей живут в регионах с дефицитом чистой воды, несмотря на обилие океанов и солёных сточных вод вокруг нас. В этом исследовании рассматривается новый тип мембраны на тканевой основе, которая использует только солнечный свет для получения пресной воды из солёных или загрязнённых источников, одновременно восстанавливая ценные соли вместо того, чтобы выбрасывать их. Подход направлен на сокращение энергопотребления, снижение затрат и уменьшение жидких отходов, предлагая практический путь к более чистой воде и разумному использованию ресурсов.

Простая ткань, «пьющая» солнечный свет

Сердцем работы является тонкое тёмное покрытие из проводящего полимера полипиррол (ППи), нанесённое на обычные полиэфирные ткани. Когда на ППи попадает солнечный свет, он сильно поглощает излучение в широком диапазоне длин волн и очень эффективно превращает его в тепло. Исследователи использовали безрастворительный метод, называемый химической газофазной полимеризацией, чтобы сформировать равномерный слой ППи на плетёной или неплетёной ткани. Хитроумно покрыта только верхняя сторона ткани, в то время как нижняя остаётся гидрофильной, что позволяет поднимать воду снизу, пока тёмная верхняя сторона обращена к солнцу и нагревается. Такая конструкция обеспечивает непрерывный приток воды к горячей поверхности при минимальном расходе материала и химикатов.

Настройка рецептуры для максимального нагрева

Чтобы создать слой ППи, команда испытала несколько окислителей — веществ, запускающих формирование полимера, включая хлорид железа, хлорид меди, персульфат аммония, перманганат калия и дикромат натрия. Изменяя их концентрацию и очень малое количество мономера пиррола, они нашли условия, при которых на волокнах образуется непрерывная, насыщенно-чёрная кожица ППи. Микроскопия показала, что покрытые волокна приобрели шероховатую, мелкотекстурированную поверхность, что снижает отражение света и помогает лучше улавливать солнечную энергию. Измерения спектров подтвердили: лучшие мембраны поглощали более 94 % падающего излучения от ультрафиолета до инфракрасного, значительно превосходя исходные ткани. При освещении «одним солнцем» (интенсивность обычного полуденного солнца) эти оптимизированные мембраны быстро нагревались примерно до 60–65 °C, значительно выше, чем непокрытая ткань.

Ускорение испарения тонкой горячей поверхностью

Когда такие ткани с покрытием ППи плавали по поверхности воды и подвергались имитации солнечного света, они заметно увеличивали скорость испарения. Обычная вода без мембраны испарялась медленно — примерно 0,22 кг на квадратный метр в час. Добавление непокрытой ткани уже утраивало эту скорость, но покрытие ППи подняло её ещё выше: до 0,95 кг·м⁻²·ч⁻¹ для неплетёной ткани, обработанной хлоридом меди, и до 0,93 кг·м⁻²·ч⁻¹ для плетёной ткани, обработанной персульфатом аммония. Несмотря на использование очень малых количеств пиррола, мембраны достигли эффективности преобразования солнечной энергии в тепло около 57 %. При более сильном освещении в три солнца — аналогичном концентрированному солнечному свету — лучшая мембрана обеспечивала испарение до 2,91 кг·м⁻²·ч⁻¹ и оставалась стабильной при повторных циклах нагрева.

Пресная вода сверху, кристаллы по краю

Кроме получения чистой воды, эти мембраны сконструированы таким образом, чтобы облегчать восстановление солей, которые в противном случае стали бы отходами. По мере нагрева поверхности и превращения воды в пар, пар собирают и конденсируют в почти чистую воду, а оставшийся раствор становится более концентрированным. Поскольку поверхность ППи гидрофобна и шероховата, кристаллы соли преимущественно образуются по краям зоны испарения, не засоряя центральную горячую область. В испытаниях с хлоридом натрия, сульфатом меди и хлоридом железа при реалистичных концентрациях морской воды и рассолов система сохраняла высокие скорости испарения и формировала видимые кольца соли, которые можно легко собрать. В одном демонстрационном опыте мембрана, работающая на 7%-ном солевом растворе, восстановила 100 % растворённой соли с производительностью сбора соли примерно 58,6 г·м⁻²·ч⁻¹, при этом продолжая вырабатывать пресную воду.

К чистой воде без оставшейся жидкости

В повседневном выражении это исследование показывает, что недорогой материал в виде ткани может превращать солнечный свет одновременно в питьевую воду и пригодную для повторного использования соль, без необходимости высоконапорных насосов, сложной электроники или больших объёмов химикатов. ППи-покрытые мембраны прочны, подвергаемы стирке и совместимы с реальными рассолами и сточными водами, включая кислые или щелочные потоки. Поскольку они способны концентрировать солёные отходы до состояния, когда практически не остаётся жидкости, они поддерживают амбициозную цель «нулевого сброса жидкостей», при которой вода перерабатывается, а твердые вещества извлекаются вместо сброса. При дальнейшей инженерной доработке и масштабировании такие солнечно-управляемые мембраны могут сыграть ключевую роль в небольших децентрализованных системах, помогающих прибрежным сообществам, фермам и предприятиям обеспечивать пресную воду, уменьшая загрязнение и отходы.

Цитирование: Mahmoud, M.T., Abdel-Ghafar, H.M., El-Sherif, A.A. et al. Development of robust dual functioning PPy-based photothermal membranes for simultaneous freshwater and salt harvesting. Sci Rep 16, 5945 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35812-y

Ключевые слова: солнечное опреснение, фототермальная мембрана, получение пресной воды, восстановление соли, нулевой сброс жидкостей