Российские химики создали графеновый фильтр для "сушки" природного газа
МОСКВА, 5 апр – РИА Новости. Ученые из МГУ разработали мембрану на базе графена, которая беспрепятственно пропускает пары воды, но не дает пройти азоту, метану и прочим газам, что значительно упростит "сушку" природного газа перед его закачкой в трубопроводы. "Рецепт" ее сборки был опубликован в Journal of Membrane Science.
В последние годы физики и химики активно работают над созданием новых наноматериалов, которые бы могли стать основой для гаджетов из научной фантастики, способных разделять тяжелые и легкие изотопы, извлекать воду из воздуха, сортировать разные элементы и исполнять многие другие задачи.
Фильтры и мембраны из подобных материалов могли бы совершить настоящую революцию в промышленности и экономике. Их созданию часто мешает то, что они изготавливаются из дорогостоящих материалов или просто редких компонентов, которые пока можно изготавливать лишь штучным образом.
Группа российских ученых под руководством Дмитрия Петухова из МГУ имени М.В. Ломоносова расширила число подобных "чудо-материалов", экспериментируя с листами из оксида графена, окисленной версии плоского углеродного материала, созданного Константином Новоселовым и Андреем Геймом в 2004 году.
В отличие от идеально ровной поверхности графена, его окисленная версия похожа по своей структуре на своеобразную многоуровневую "расческу", чьи зубья состоят из различных углеводородных молекул, гидроксил-радикалов и прочих групп атомов. Этот материал можно достаточно просто получить, обработав обычный графит при помощи крепкого раствора из серной кислоты и различных солей.
Еще полвека назад химики заметили необычную особенность у этого вещества – оно очень активно взаимодействует с водой и поглощает ее, при этом не пропуская других молекул. Это качество окиси графена ученые уже давно пытаются приспособить для создания высокопроизводительных фильтров, способных очищать морскую воду от солей.
Почти десять лет назад Гейм и его коллеги заметили, что листы из окиси графена определенной толщины становятся непроницаемыми для гелия, самого летучего и "пронырливого" вещества, а также все остальных газов, но при этом они очень хорошо пропускают через себя пары воды.
Вода и растворенные в ней вещества, как показали тогда его наблюдения, проникает через графеновые мембраны толщиной в несколько десятков микрон примерно в 10 миллиардов раз быстрее, чем гелий и прочие газы. Это заставило ученых задуматься о том, можно ли применять подобные конструкции для очистки различных сред или трубопроводов от паров воды.
Возник закономерный вопрос – из какого оксида графена нужно изготовлять подобные фильтры, как они должны быть устроены и какие газы, кроме паров воды, они будут пропускать. Ученые из МГУ и их коллеги из других научных центров России заполнили этот пробел, экспериментируя с мембранами из окиси "нобелевского углерода", полученной классическим способом и путем разрезания нанотрубок.
Для этого они подготовили несколько десятков "бутербродов" из углеродного материала и оксида алюминия, крайне пористого материала, который позволял им наблюдать за тем, что происходило внутри графена при его контакте с молекулами воды и других веществ.
Как показали эти замеры, молекулы всех газов, кроме воды, могут проходить через графеновые мембраны любой толщины только в том случае, если в них есть трещины и прочие физические дефекты. Соответственно, чем толще была пленка из окиси графена, тем хуже она пропускала метан, бутан, углекислоту, азот и прочие компоненты природного газа.
В целом, мембраны любого типа перестают пропускать молекулы этих газов после того, как их толщина достигает примерно 25-60 нанометров. При этом они остаются почти "прозрачными" для воды и растворенной в ней углекислоты.
Подобные конструкции из окиси графена, как отмечают ученые, можно применять не только для защиты газовых трубопроводов от накопления в них воды и развития коррозии, но и для повышения эффективности и долговечности различных промышленных установок и машин, где используются пневматические системы.