Розділення молекул є ключовим етапом у виробництві багатьох необхідних продуктів. Наприклад, у нафтопереробці вуглеводні (хімічні сполуки, що складаються з атомів водню і вуглецю) в сирій нафті розділяють на бензин, дизель і мастильні матеріали, ґрунтуючись на розмірі, формі та масі їх молекул. У фармацевтичній промисловості активні інгредієнти лікарських препаратів очищуються шляхом відокремлення молекул ліків від ферментів, розчинів та інших компонентів.
Ці процеси розділення споживають значну кількість енергії, що складає приблизно половину промислового енергоспоживання у США. Традиційно розділення молекул проводиться методами, які потребують інтенсивного нагрівання та охолодження, що робить їх енергоємними та неефективними.
Хімічні та біологічні інженери, у нещодавньо опублікованому дослідженні в журналі Science розробили новий тип мембрани з нанопорами, яка може швидко та точно розділяти різноманітні молекули навіть у суворих промислових умовах.
Мембрани – це фізичні бар’єри, які здатні розділяти молекули у суміші, подібно до сита, на основі їх розміру чи властивостей, таких як заряд або полярність. Наприклад, мембрана клітин транспортує поживні речовини всередину клітини й виводить токсини назовні. У промисловості синтетичні мембрани дозволяють розділяти молекули у важливих сумішах із меншими енерговитратами, ніж традиційні методи.
Однак сучасні мембрани, зокрема ті, що використовуються для опріснення морської води, є нестабільними за високих температур або під впливом органічних розчинників – хімічних речовин на основі вуглецю, які розчиняють інші речовини. Це обмежує використання мембран у багатьох промислових процесах.
Неорганічні матеріали більш стабільні й краще витримують промислові умови. У попередніх дослідженнях намагалися створити ультратонкі неорганічні мембрани, які пропускають лише певні молекули. Але тонкі мембрани часто мають дефекти, такі як проколи, і їх складно виготовляти у промислових масштабах.
Вчені розробили новий неорганічний матеріал – оксид металу, допований вуглецем, який може розділяти органічні молекули, менші за один нанометр (для порівняння, атом золота має діаметр близько третини нанометра).
Натхненні технологією виробництва напівпровідників – молекулярним осадженням шарів – дослідники використовували два недорогі реагенти, щоб створити тонкі плівки. Ці плівки мають нанопори, розмір яких можна точно налаштувати для розділення молекул діаметром від 0,6 до 1,2 нанометра.
Однією з ключових особливостей нової мембрани є її здатність витримувати суворі умови. Вона стабільна за температур до 284°F (140°C) і тисків до 30 атмосфер (приблизно 441 фунт на квадратний дюйм) у присутності органічних розчинників. Це важливо, оскільки багато промислових процесів розділення можуть значно зменшити енерговитрати, якщо виконуються за високих температур.
Вчені протестували мембрану на етапі розділення молекул під час виробництва пестициду боскалід. Підібравши розміри пор мембрани до розмірів молекул у суміші, вони змогли розділити кожен компонент – реагент, продукт і каталізатор.
Завдяки стабільності винайденої мембрани весь процес вдалося виконати за температури 194°F (90°C), тобто тієї ж, за якої проходить реакція, що усунуло потребу в зниженні температури для розділення. Це значно скоротило енергоспоживання й зменшило вуглецевий слід процесу.
Дослідники вважають, що ця мембрана може бути використана в багатьох аналогічних промислових процесах, включаючи ті, що відбуваються у суворих умовах, де традиційні мембрани не працюють. Винахідники впевнені, що технологію можна швидко масштабувати, що відкриє нові можливості для дослідників і виробників у застосуванні мембран у досі недосліджених областях.