Коллектив физиков из Утрехтского университета, Нидерланды, теоретически описали способ разделения идеально смешивающихся жидкостей при помощи мембран с наноразмерными порами. Согласно результатам работы, даже слабый перепад давления через такую мембрану может приводить к эффективному разделению жидкой смеси при минимальных энергозатратах. Исследование опубликовано в Physical Review Letters.

Разделение двух хорошо смешивающихся жидкостей давно является важной проблемой, к примеру, в области очистки нефтяных разливов. Большая часть загрязнения не смешивается с водой и может быть отделена механическим путем, однако часть продуктов растворяется и очистке поддается с трудом. Для решения этих задач применяются многостадийные дорогостоящие методы, но развиваются и более экономичные технологии на основе мембран, которые за счет своей селективности к одному из компонентов позволяет сравнительно легко разделить смесь, не требуя дополнительной химической или электрохимической обработки.

В новой работе авторы предложили использовать мембрану с тонкими цилиндрическими каналами шириной в несколько нанометров. При этом материал мембраны должен селективно адсорбировать один из компонентов смеси, например, воду. В таком случае, если с помощью насоса вызвать течение жидкости через тонкий канал, возникает необычный эффект: молекулы воды будут одновременно адсорбироваться на стенке и вымываться из канала за счет потока.

Физики показали, что при определенном соотношении температуры (определяющей интенсивность диффузии воды к стенкам канала) и скорости потока через мембрану, можно добиться того, что один из компонентов будет «засасываться» в канал, а другой — наоборот, выдавливаться. Таким образом на выходе из канала будет вытекать почти чистое вещество, а не смесь. Для того, чтобы такое устройство действительно работало на практике, смесь должна обладать еще одним свойством: она должна быть близка к критической точке, при которой происходит расслоение двух жидкостей. Таким образом, два вещества оказываются на грани разделения, а необычная мембрана аккуратно «подталкивает» их к тому, чтобы процесс дошел до конца.

Разделение смеси при прохождении через пору и распределение скорости в канале. Изображение: Sela Samin and René van Roij / Physical Review Letters

Все предположения авторы проверили при помощи численных расчетов, параметры которых подбирались в соответствии с системой «вода — 2,6-лутидин», который является типичным примером водорастворимого гетероциклического соединения. Оказалось, что в самом деле при определенных соотношениях скорости потока и температуры в системе возникало устойчивое состояние, при котором один из компонентов выборочно перекачивался через мембрану. Однако при увеличении давления этот эффект пропадал и мембрана работала как обычный канал, проницаемый для обоих компонентов.

Как отмечают исследователи, главным преимуществом их системы являются сравнительно низкие энергозатраты: разность давлений, которую требуется приложить, составляет меньше одной атмосферы. Коллеги, прокомментировавшие данную работу, отмечают, что самым неприятным является требование, чтобы смесь была близка к критической точке, однако есть основания полагать, что и для идеальных смесей (вода-этиловый спирт, к примеру) такой метод должен сработать, если корректно подобрать материал мембраны.

В настоящее время очистка воды от нефтепродуктов представляет собой сложный многоступенчатый процесс. В него входит механический этап, когда удаляется основная масса отслоившейся органики, химический, когда растворенные в воде продукты разрушаются, например, активным кислородом, а также физико-химический. Последний обычно сочетает несколько различных методов (экстракция, фильтрация и другие), что закономерно увеличивает стоимость всей технологии.

Автор: Тарас Молотилин