Разделить бензол и циклогексан — задача, которая на первый взгляд выглядит рутинной, а на деле съедает огромное количество энергии. Эти два вещества с почти одинаковыми температурами кипения постоянно встречаются рядом в производстве нейлона, красок, пенополиуретанов и даже моющих средств. И каждый раз, когда нужно избавиться от токсичного бензола, химики вынуждены идти на энергоёмкие ухищрения.
Эта молекулярная структура состоит из четырех молекулярных сетей (показанных зеленым, оранжевым, фиолетовым и синим цветами), которые переплетаются друг с другом, образуя слой со взаимосвязанным узором. Один слой такого материала может существовать в двух формах: в одной из них молекулярные сети пересекаются, образуя спираль по часовой стрелке (слева), а в другой — зеркальной (справа) — они пересекаются, образуя спираль против часовой стрелки. Визуализация: Техасский университет в Остине / Чжэцзянский университет
Команда исследователей из Техасского университета в Остине (UT Austin) и Чжэцзянского университета предложила решение, которое выглядит почти изящно: молекулярно сотканную ткань, способную отфильтровать большую часть бензола из смеси. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Звучит как метафора, но речь о вполне конкретной химии. И, что важно для отрасли, — о потенциальной экономии энергии в процессе, который традиционно считается одним из самых затратных.
Почему бензол и циклогексан так трудно разделить
Циклогексан используется для производства множества материалов, но получают его обычно из бензола — вещества, которое является канцерогеном. При синтезе циклогексана часть бензола остаётся в виде нежелательной примеси, и разделить эту пару непросто.
Традиционно на химических заводах для этого применяют дистилляцию: разные вещества имеют разные температуры кипения, поэтому смесь нагревают до тех пор, пока нежелательные компоненты не испарятся. Однако у циклогексана и бензола температуры кипения почти совпадают, и они испаряются вместе. Это усложняет процесс и обычно требует добавления специальных добавок, отмечают исследователи.
«Это делает традиционное разделение бензола и циклогексана на основе дистилляции сложным и дорогим», — говорит Джонатан Сесслер, обладатель кафедры химии R.P. Doherty, Jr.-Welch Regents Chair в UT Austin.
Как устроена молекулярная ткань
Новый материал состоит из четырёх молекулярных сетей, которые переплетаются выше и ниже друг друга, создавая слой с взаимно блокирующимся узором. Один слой материала может существовать в двух формах: в одной молекулярные сети пересекаются по часовой спирали, в другой — зеркальной — против часовой. Это свойство называют хиральностью, или «рукостью». Чтобы создать ткань, слои накладывают друг на друга, чередуя обычную ориентацию с зеркальной.
В результате получается пружинистая ткань, которая может работать как толстый фильтр, отделяя значительные количества бензола от циклогексана. Многонитевая ткань прочнее линейно сотканной, где отдельные нити образуют слой.
Важная деталь: ткань самособирается, то есть молекулярные сети выстраиваются и связываются сами.
«Вся структура сходится сама собой благодаря лежащей в основе химии, и это особенно здорово, потому что позволяет создавать такие новые материалы простым способом», — отмечает Сесслер.
«В каком-то смысле мы решаем задачу повышения эффективности с помощью одной из древнейших технологий человечества: ткачества. Примечательно, что тот же принцип переплетения работает на молекулярном уровне».
Подробности методики и структуры описаны в полном тексте статьи.
97,9% бензола и многоразовость
Ткань многоразовая. После того как смесь, содержащую бензол, выливают на ткань, учёные могут нагреть её, испарить бензол и использовать ткань снова.
Сесслер и команда Чжэцзянского университета под руководством профессоров Фэйхэ Хуана и Гуанфэна Ли проверили ткань на смеси, состоящей на 50% из бензола и на 50% из циклогексана. Ткань поглотила 97,9% бензола. Для применений, требующих более высокой степени разделения, можно использовать несколько проходов. Они также продемонстрировали способность ткани разделять несколько других коммерчески интересных соединений.
По словам Сесслера, в Чжэцзянском университете учёные показали, как использовать ткань в более крупном, промышленном масштабе. Хотя экономический анализ ещё не проводился, исследователи полагают, что это может существенно снизить количество энергии, которое химическая промышленность тратит на молекулярное разделение, с серьёзными последствиями для отраслей, производящих краски, нейлон, полиуретан и другие продукты, содержащие циклогексан.
Отдельно стоит отметить, что среди соавторов работы — покойный сэр Фрейзер Стоддарт, лауреат Нобелевской премии по химии 2016 года, который ушёл из жизни до завершения исследования.
Что это значит для отрасли
Начнём с энергии. Химическое разделение — один из крупнейших потребителей энергии в современной промышленности, и снижение затрат на него имеет прямое экономическое значение. Если ткань действительно работает в промышленном масштабе, а не только в лабораторном стакане, это может изменить экономику процессов, которые десятилетиями считались неизбежно дорогими. Химическая технология такие вещи меняет не каждый день.
Для производителей красок, нейлона и полиуретана это потенциально ощутимый сигнал. Циклогексан — сырьё для множества цепочек, и если стадию очистки удастся сделать дешевле, выигрыш может распространиться по всей цепочке. Впрочем, экономический анализ ещё не проводился, так что пока это скорее обещание, чем гарантия.
Есть и методический аспект, который стоит отметить. Самособирающиеся материалы на основе молекулярного переплетения — это не только про разделение. Принцип, при котором структура формируется сама, открывает путь к созданию функциональных материалов с заданными свойствами без сложного производства. Именно такие вещи обычно и оказываются востребованными в промышленности — не сразу, но вполне предсказуемо.
И, наконец, о научной преемственности. Участие Фрейзера Стоддарта, ушедшего из жизни до завершения работы, напоминает, что большие результаты редко бывают делом одного человека или одного года. Это скорее эстафета, чем спринт. Так что следить за развитием этой истории стоит: если ткань покажет себя на пилотах и в реальной экономике, у неё есть шанс стать одним из тех решений, которые сначала кажутся изящной идеей, а потом quietly становятся отраслевым стандартом.
Для отправки комментария необходимо войти на сайт.