Российские ученые разработали новую целлюлозную мембрану для выделения частиц размером менее 10 нанометров из органических растворителей и исследовали условия ее формирования. Подробности работы можно найти в журнале Cellulose. Исследование поддержано грантом Российского научного фонда (РНФ), кратко о нем рассказывает пресс-релиз фонда.
Мембраны широко используются для разделения и очистки жидкостей и выделения из них ценных целевых компонентов. Они могут заменить более энергоемкие и менее экологичные способы разделения, например, дистилляцию (перегонку) — способ, в котором жидкость последовательно испаряется, охлаждается и конденсируется. Для создания мембран, предназначенных для работы в органических средах, авторы работы предложили использовать целлюлозу — возобновляемый и биоразлагаемый полимер, стойкий к органическим растворителям.
«Традиционный метод перегонки хорошо подходит для разделения органических растворителей, но существуют более сложные системы и задачи. Например, в случае регенерации гомогенных катализаторов для их повторного использования, перегонка не всегда подходит, так как при высоких температурах они разрушаются. Процесс фильтрации исключает такой негативный эффект, поскольку проходит при комнатной температуре», — добавил заместитель директора Института нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН Алексей Волков.
Для формования мембран на основе целлюлозы авторы статьи использовали в качестве растворителя вещество (N-метилморфолин-N-оксид), с помощью которого уже изготавливают целлюлозные нити. Из вязкого раствора целлюлозы в этом растворителе на полимерной подложке ученые формовали листы мембраны, которые затем приводили в контакт с осадителями – веществами, при взаимодействии с которыми растворенная целлюлоза из жидкого раствора переходила в твердую фазу и образовала пористую структуру.
Фото: Sergey O. Ilyin et al. // Gene, 2018
Обычно в качестве осадителя в таких системах используют воду или водно-органические смеси, позволяющие получать как пористые, так и непористые мембраны. В этой работе для получения композиционных мембран с тонким нанопористым селективным слоем из целлюлозы ученые применяли простые спирты – углеводороды линейного строения, где один или несколько атомов водорода замещены группами -OH.
Авторы работы исследовали процесс образования твердой фазы целлюлозы, а также изучили, как температура, содержание целлюлозы в растворе и природа осадителя в ряду спиртов (метанол, этанол, изопропанол, изобутанол) влияют на этот процесс и на свойства сформованных композиционных мембран. Они показали, например, что если осадителем служит этанол или метанол, то получившиеся мембраны имеют нанопоры диаметром менее 2 нанометров, что на два-три порядка меньше среднего размера бактерий. Если же используется изопропанол или изобутанол, то образуются макропоры диаметром более 50 нанометров. Благодаря тому, что размеры пор можно задавать использованием разных осадителей, мембраны могут применяться для решения разнообразных задач разделения.
Тестирование на лабораторных фильтрационных установках показало, что с помощью таких мембран можно выделять из органических растворителей частицы размером менее 10 нанометров. На основе полученных экспериментальных данных ученые построили тройные фазовые диаграммы систем «полимер–растворитель–осадитель». Они показывают, в какой фазе находятся вещества при определенном сочетании температуры, концентрации целлюлозы и природы осадителя. Фазовые диаграммы оказались полезны для объяснения зависимости структуры мембран от параметров процесса. Исследование образования твердой фазы целлюлозы проводилось методом лазерной интерферометрии. Такой метод позволяет получать изображения, на которых визуально можно обнаружить переход полимера из раствора в твердую фазу.
Разработанные учеными мембраны могут найти применение в нефтехимии и органическом синтезе, пищевой промышленности и фармацевтике.