Прототип для получения кислородосодержащего воздуха с использованием новой магнитной сепарационной ячейки и магнитных мембран на основе смешанного матричного поли(эфирсульфона)

Легче дышать с более умными фильтрами воздуха

Обеспечение чистого, обогащённого кислородом воздуха жизненно важно для больниц, промышленности и даже для более чистых двигателей, но современные технологии разделения кислорода из воздуха часто громоздки, энергозатратны и дороги. В этом исследовании представлен новый компактный прототип, который может обогащать воздух кислородом с помощью специальной магнитной мембраны и тщательно спроектированной металлической ячейки. Используя тонкую магнитную разницу между кислородом и азотом, устройство повышает содержание кислорода в воздухе без опоры на большие внешние магниты или сложные холодильные системы.

Почему разделять воздух так трудно

Воздух в основном состоит из азота, а кислорода в нём только около одной пятой, при том эти два газа почти одинакового размера. Традиционные методы их разделения — криогенная перегонка и адсорбция с переключением по давлению — работают эффективно, но требуют тяжёлого оборудования и больших энергозатрат. Мембранные методы, при которых воздух продавливают через тонкие барьеры, предпочитающие один газ перед другим, обещают более компактные и простые установки. Однако поскольку кислород и азот настолько похожи, большинству мембран трудно различать их, поэтому улучшение разделения обычно сопряжено с потерей либо эффективности, либо практичности.

Использование магнетизма, чтобы подтолкнуть кислород

Кислород слабо притягивается к магнитным полям, тогда как азот слабо отталкивается. Исследователи используют этот контраст, внедряя крошечные частицы сплава железа и никеля в полимер поли(эфирсульфон), формируя так называемую мембрану смешанной матрицы. Эти сплавы, полученные простым химическим восстановлением, имеют необычные «мореподобные» и «ожерельеобразные» формы и сохраняют сильную намагниченность самостоятельно. Поскольку они ведут себя как крошечные постоянные магниты, мембрана может сильнее притягивать молекулы кислорода, чем азота, деликатно направляя кислород через материал без внешних электромагнитов или катушек.

Создание «умной» мембраны и ячейки

Для изготовления мембраны команда растворяла полимер и диспергировала небольшое количество магнитного сплава, затем лила смесь в тонкие листы. Железный лезвие-нож для литья, использованное на этом этапе, действует как магнит, вытягивая частицы сплава в выровненные ряды прямо под поверхностью мембраны и предотвращая их оседание. Одновременно соль-формообразователь увеличивает количество микроскопических пустот вокруг частиц, укорачивая пути, по которым должны проходить молекулы газа. Эти особенности создают мембрану с большей пористостью и шероховатостью, чем у чистого полимерного листа, позволяя пропускать больше кислородосодержащего воздуха при сохранении значительного ограничения для азота.

Компактная ячейка, повышающая эффективность

Мембрана установлена внутри специально изготовленной плоской ячейки из нержавеющей стали размером примерно с небольшую плитку. Воздух поступает с одной стороны, проходит по мембране, и другой стороной выходит поток, обогащённый кислородом. Ключевая инновация расположена со стороны пермеата: четыре мелких ребра, которые затем были покрыты тем же магнитным сплавом, что и мембрана. Эти ребра создают вторую магнитную «зону притяжения» для молекул кислорода, прошедших сквозь мембрану, помогая втянуть ещё больше кислорода. Испытания с проточным воздухом при умеренных давлениях показали, что простое добавление магнитного покрытия на ребра увеличивало проницаемость кислородосодержащего потока на 55 процентов и повышало содержание кислорода в выходном потоке примерно на 40 процентов по сравнению с идентичной ячейкой без магнитных ребер.

Что это означает для повседневного использования

Для неспециалиста основной вывод таков: эта работа демонстрирует более простой способ получения воздуха, обогащённого кислородом — тонкий пластоподобный лист, заполненный крошечными постоянными магнитами, размещённый в продуманно оформленной металлической ячейке. Вместо больших магнитов или энергоёмких систем охлаждения частицы постоянного магнита и ребристая конструкция аккуратно выводят кислород из потока воздуха. Хотя степень обогащения уступает крупным промышленным установкам, улучшение показателей, низкая стоимость материалов и работа без внешнего магнитного поля указывают на практическую возможность создания более лёгких и эффективных кислородных устройств для медицинских приборов, более чистого горения и других применений, где важны компактность и надёжность разделения воздуха.

Цитирование: Nady, N., Rashad, N., Elmarghany, M.R. et al. A prototype for producing oxygen-rich air using novel magnetic separation cell and magnetic mixed poly(etheresulfone) matrix membranes. Sci Rep 16, 9661 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41766-y

Ключевые слова: обогащение кислорода, магнитные мембраны, газовая сепарация, мембрана смешанной матрицы, технология разделения воздуха