E-mail | SIS | Moodle | Helpdesk | Knihovny | cuni.cz | CIS Více

česky | english Přihlášení



Modelování polyelektrolytových hydrogelů

Použití polyelektrolytových hydrogelů pro odsolování vody bylo navrženo jako levná alternativa k dnes běžným, ale technologicky náročným řešením. Modelováním vlastností těchto materiálů se zabývá tým dr. Petera Košovana na katedře fyzikální a makromolekulární chemie.

Nedostatkem pitné vody trpí v současnosti téměř čtvrtina světové populace. Značná část těchto lidí má však snadný přístup ke slané nebo částečně slané (brakické) vodě. Moderní postupy na odsolování vody jsou technologicky náročné, proto jsou využívány hlavně v bohatších zemích. Odsolováni pomocí polyelektrolytových hydrogelů by mohlo nabídnout levnou a nenáročnou alternativu využitelnou i v zemích třetího světa. Teoretické modelování polyelektrolytových gelů ve vodních roztocích je doménou týmu Petera Košovana, který je součástí výzkumné skupiny Soft Matter na katedře fyzikální a makromolekulární chemie.

Polyelektrolytové hydrogely jsou polymerní sítě složené z nabitých polymerů - polyelektrolytů. Pro aplikace je důležitá jejich schopnost botnání - objem gelu nabotnaného vodním roztokem je až 1000-krát větší než objem stejného gelu v suchém stavu. Koncentrace látek uvnitř gelu je obvykle jiná než ve vnějším roztoku, který je s gelem v kontaktu. Na základě toho kolegové z Karlsruhe Institut für Technologie (Německo) navrhli využití polyelektrolytových gelů pro odsolování vody a v jednoduchém experimentu demonstrovali, že jejich nápad v principu funguje.

Když umístíme polyelektrolytový gel do slané vody, koncentrace soli uvnitř gelu je vždy nižší než vně, což je klíčový jev pro odsolování. Když tento gel vyndáme z roztoku a vymačkáme jako houbu, získáme roztok s nižší koncentrací soli než ten původní. Koncentrace soli požadované pro pitnou vodu lze dosáhnout opakováním několika cyklů botnání a stlačování, postupem obdobným jako frakční destilace.

 

Obr 1.: schématické znázornění principu odsolování pomocí polyelektrolytových hydrogelů. Vlevo: rozdílná koncentrace soli na rozhraní hydrogelu a vodního roztoku. Klíčové kroky odsolování: (1) umístění gelu do slané vody; (2) vznik rozdílných koncentrací soli uvnitř a vně velu během botnání; (3) stlačování gelu a získávání odsolené vody. Převzato z článku [2] s povolením nakladatelství Springer.

 

Odsolovací cyklus s opakovaným stlačováním a botnáním gelu (viz Obr. 1) lze z pohledu termodynamiky popsat podobně jako Carnotův cyklus popisuje práci tepelného stroje. V praxi ovšem z demonstrační aparatury neteče voda tak dobře odsolená,  jakou bychom očekávali na základě zjednodušených představ. Pro dosažení co nejvyšší účinnosti odsolování v reálné aplikaci je potřeba prozkoumat různé parametry použitého gelu i celého odsolovacího cyklu. Aby další vývoj v tomto směru nebyl pouhým tápáním způsobem pokus-omyl, je potřeba podrobněji pochopit děje, které probíhají při stlačování polyelektrolytového gelu působením vnějšího tlaku. Tohoto pochopení lze dosáhnout s pomocí vhodného teoretického modelu.

Předpověď teoretického modelu je užitečná zejména,  je-li je rychlejší a levnější než experiment, proto skupina Dr. Košovana vyvíjí výpočetně nenáročné modely, které poskytnou spolehlivý výsledek během několika sekund výpočtu na běžném PC. Na počátku byly velmi jednoduché modely, které pouze kvalitativně popisovaly jevy pozorované v experimentu [2]. Následný vylepšený model se už dobře shodoval se simulacemi [4] a bylo možné jej použít na studium parametrů celého odsolovacího cyklu [3]. Poslední vylepšení se zahrnutím disociační rovnováhy [1] přineslo poznatky, na základě kterých bylo navrženo nové uspořádání cyklu, ve kterém lze teoreticky dosáhnout maximální možné účinnosti (připravovaná publikace). “Po pěti letech práce konečně dokážeme relativně rychle a spolehlivě testovat parametry odsolovacích cyklů i použitých hydrogelů čistě na základě teorie, bez nutnosti zdlouhavých experimentů nebo molekulových simulací,” vysvětluje Peter Košovan.

 

Obr 2.: schématické znázornění různých modelů gelu: (A) dvourozměnrný pohled na polymerní síť s jedním zvýrazněným uzlem. (B) model typu self-consistent-field pro jeden uzel sítě, ve kterém jsou přesné polohy jednotlivých částic nahrazeny jejich průměrnou hustotou; (C) model používaný v počítačové simulaci, který pracuje s polohami jednotlivých částic. Převzato z článku [1] s povolením The Royal Society of Chemistry

 

Zatím posledním výstupem práce týmu je výše zmíněný článek v časopise Soft Matter britského vydavatele Royal Society of Chemistry [1], který  na své titulní stránce zveřejnil jeden z našich modelů, založený na tzv. self-consistent-field přístupu (viz Obr.2). “V této práci, na níž se zásadním způsobem podílel postdoktorand Oleg Rud z Ruska, studujeme chování tzv. slabých polyekektrolytových gelů. Ty jsou složené ze slabých kyselin, jejichž ionizace se mění se změnou vnějšího pH, podobně jako např. u octové kyseliny. Naše práce ukazuje, že ionizace těchto gelů se snižuje také působením vnějšího tlaku. Tento výsledek je důležitý pro odsolování a mohl by vysvětlit proč v experimentu při stlačování hydrogelu dochází k nižšímu než očekávanému úbytku soli. Dále jsme ukázali, že koncentrace oxoniových kationtů uvnitř gelu je výrazně nižší než vně. Uvnitř gelu lze tedy definovat “lokální pH”, které může být až o dvě jednotky vyšší než v okolním roztoku,” popisuje Peter Košovan.


Reference:

[1] Soft Matter2017 www

[2] Colloid and Polymer Science2013 www

[3] Desalination 2017 www

[4] Macromolecules 2015 www


 

Publikováno: Pátek 08.09.2017 13:00

Akce dokumentů

Kategorie: