Мембрани для розділення молекул: новий шлях до енергоефективних процесів

Розділення молекул є дуже енергоємною, але важливою частиною розробки ліків, опріснення води та інших промислових процесів — вдосконалення мембран може допомогти

Автори: Братин Сенґупта, аспірант хімічної та біологічної інженерії Університету штату Нью-Йорк у Бафало; Мяо Ю, професор хімічної та біологічної інженерії Університету штату Нью-Йорк у Бафало.

Розділення молекул має вирішальне значення для виробництва багатьох важливих товарів. Наприклад, під час переробки нафти, вуглеводні — хімічні сполуки, що складаються з атомів водню та вуглецю — у сирій нафті поділяються на бензин, дизельне паливо та мастильні матеріали шляхом їх сортування за молекулярним розміром, формою та вагою. У фармацевтичній промисловості активні інгредієнти ліків очищають шляхом відділення молекул ліків від ферментів, розчинів та інших компонентів, які використовуються для їх виготовлення.

Такі процеси поділу потребують значної кількості енергії, що становить приблизно половину промислового споживання енергії в США. Молекулярне розділення зазвичай ґрунтується на методах, які вимагають інтенсивного нагрівання та охолодження, що робить їх дуже енерговитратними.

Ми — інженери-хіміки та біологи. У нашому нещодавно опублікованому дослідженні ми розробили новий тип мембрани з нанопорами, які можуть швидко й точно розділяти різноманітні молекули в суворих промислових умовах.

Мембранна технологія

Мембрани — це фізичні бар’єри, які можуть розділяти молекули в суміші, як сито, залежно від їхнього розміру або спорідненості — наприклад, заряду чи полярності — до матеріалу мембрани. Наприклад, ваші клітини оточені мембраною, яка транспортує всередину поживні речовини та виводить із клітини токсини. Мембранна технологія включає синтетичні бар’єри, які можуть розділяти молекули в промислово важливих сумішах з меншими енергетичними витратами, ніж традиційні методи.

Доступні на даний момент мембрани, зокрема ті, що використовують для широкомасштабного опріснення морської води, страждають від нестабільності при високих температурах і під впливом органічних розчинників — хімічних речовин на основі вуглецю, які розчиняють інші речовини. Це обмежило використання мембран у багатьох промислових галузях.

Неорганічні матеріали більш стабільні та краще витримують промислові умови. Попередні дослідження зосереджувалися на створенні ультратонких неорганічних мембран, які б пропускали певні молекули. Але тонкість збільшує ймовірність утворення дефектів і точкових отворів у мембрані, і її буде важко зробити в промислових масштабах.

Удосконалення мембранного поділу

Ми створили технологію виготовлення нового неорганічного матеріалу — оксиду металу, насиченого карбоном, який може розділяти органічні молекули розміром менше одного нанометра (для порівняння, атом золота має третину нанометра в діаметрі).

Надихнувшись наявною технологією, яку виробники використовують для виготовлення напівпровідників, відомою як метод напилення молекулярних шарів, ми використовували два недорогі реагенти з даного процесу і створили тонкі плівки. Ці плівки містять нанопори, які можна чітко відрегулювати для контролю розділення молекул діаметром від 0,6 до 1,2 нанометра.

Наноматеріали, такі як графен, часто виготовляють з пластин гексагональної вуглецевої структури. Джерело: Катерина Кон / Наукова фототека / Getty Images

Однією з ключових особливостей нашої мембрани є те, що вона може витримувати суворі умови експлуатації. Ці мембрани стабільні при температурі до 140 градусів за Цельсієм і тиску до 30 атмосфер у присутності органічних розчинників. Ця стабільність має вирішальне значення, оскільки багато промислових процесів розділення можуть заощадити величезну кількість енергії, якщо їх проводять за високих температур.

Для демонстрації ми використали нашу мембрану на етапі розділення молекул під час виробництва пестициду боскаліду. Підібравши розміри пор мембран відповідно до розмірів молекул у суміші, ми змогли відокремити кожен окремий компонент реагенту, вихідного продукту та каталізатора. Завдяки стабільності нашої мембрани ми змогли провести весь процес за температури 90°С. Це температура, при якій відбувається реакція, що виключає необхідність знижувати градус під час процесу розділення. Це дозволяє значно скоротити споживання енергії і, в свою чергу, зменшити вуглецевий слід промислового процесу.

Ми вважаємо, що наша мембрана може бути використана в багатьох подібних промислових процесах, в тому числі в суворих умовах, де традиційні мембрани не зможуть впоратися, і впевнені, що масштаби застосування мембрани можна буде швидко розширити. Це може відкрити нові перспективи для дослідників і виробників у використанні мембран у різних сферах.

Стаття вперше була опублікована англійською мовою під назвою «Separating molecules is a highly energy-intensive but essential part of drug development, desalination and other industrial processes — improving membranes can help» в журналі The Conversation 7 вересня 2023 року.

Переклали Ростислав Кашуба, Маргарита Клименко та Ірина Тесленко