Мировой дефицит пресной воды усиливается вследствие роста населения, промышленного развития и увеличения потребления энергии. Загрязнение водных ресурсов становится одной из ключевых причин заболеваний, а менее 1 % мировых запасов воды доступно в виде пресной. На этом фоне технологии опреснения приобретают критическое значение для обеспечения глобальной водной безопасности.
Наиболее перспективным направлением остаются мембранные процессы, превосходящие тепловые методы по энергоэффективности. В промышленности используются обратный осмос, нанофильтрация, ультра- и микрофильтрация, а также осмотически управляемые технологии — прямой осмос и осмос с замедлением давления.
Параллельно растет проблема загрязнения тяжелыми металлами (Hg, Cd, Pb, As, Cr), обусловленная антропогенными источниками. Мембранные методы показали высокую эффективность удаления таких загрязнителей и хорошую масштабируемость. Несмотря на прогресс, мембранные технологии сталкиваются с рядом проблем: загрязнение мембран (фолинг), недостатки материалов, высокая стоимость, снижение селективности и проницаемости.
В статье проанализированы взаимосвязи между ключевыми характеристиками мембран, включая проницаемость, стабильность, устойчивость к фолингу и экономичность. Дополнительно рассмотрена роль искусственного интеллекта и машинного обучения в оптимизации мембранных процессов.
Мембраны обеспечивают селективное удаление растворенных веществ благодаря их размеру, заряду и химическому составу. Взаимодействие между частицами и мембранной матрицей определяет, какие компоненты проходят через мембрану, а какие задерживаются.
Разделение по размеру
Исключение по размеру — базовый механизм мембранного разделения, при котором частицы сортируются в зависимости от их величины относительно пор мембраны. Частицы, меньшие диаметра пор, свободно проходят через мембрану, крупные — задерживаются.
Для гидратированных солей и ионов решающим фактором является стерическое препятствие: если гидратированный диаметр иона превышает размер поры, ион испытывает сопротивление и эффективно удаляется.