Про молекулярное сито
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Разве существует такое? Ведь со словом «сито» в нашем представлении связан весьма нехитрый бытовой прибор из фанеры и плетеной проволоки, предназначенный для просеивания муки и других несложных кухонных дел. Правда, применяются сита и в промышленности — мукомольной, цементной и т. д. Но о молекулярном сите вы не найдете упоминания где бы то ни было. Однако оно существует, и честь его создания в нашей стране принадлежит киевским ученым из лаборатории адсорбентов Института физической химии в городе Киеве.
Молекуляное сито предназначено для «просеивания» молекул. Просеивать молекулы!.. Возможно ли это? Припомним строчки из учебника физики: «Молекулой называется наименьшая частичка вещества, которая имеет его основные свойства и способна к самостоятельному существованию…»
А что означает наименьшая? Как то ученые осуществили такой эксперимент: в бассейне объемом 400 кубических метров растворили ложку соли. И все же точные приборы выявили в воде соль. А содержание ее составляло всего лишь 20 миллионных долей грамма на один грамм жидкости!
Молекулу не увидишь под окуляром обычного оптического микроскопа. Выявить ее может, да и то не во всех случаях, только электронный микроскоп, который дает увеличение в сотни тысяч раз. Диаметр молекулы воды, например, равняется трем стомиллионным долям сантиметра. А ведь молекула воды — далеко не карлик среди молекул других веществ!
Насколько же малые «дыры» должно иметь сито, чтобы сквозь него свободно проходили самые мельчайшие частицы вещества одного сорта и задерживались — другого. Сита, сделанные из металлической проволоки, шелковых или других ниток, для этой цели, конечно, не пригодны: даже самые тонкие из них имеют отверстия размером в несколько тысячных долей сантиметра. Не годятся здесь и бумажные фильтры, сквозь которые проходят вирусы. Ведь вирусы в тысячу раз больше, чем молекулы, скажем, газов. Какой же тогда материал способен просеивать молекулы?
…1785 год. Санкт-Петербург. Русский академик Т. Е. Ловиц исследует растворы красок. Он замечает, что древесный уголь поглощает красители. Это наталкивает ученого на мысль применить уголь для очистки питьевой воды, обесцвечивания сахарного сиропа…
…1915 год. Европа в пламени первой мировой войны. Утром 22 апреля английские и французские солдаты неожиданно почувствовали, как легкий ветерок, который дул со стороны немецких позиций, вместо прохлады принес удушье. Так началась первая в мире газовая атака. Она продолжалась всего лишь пять минут, но после нее было выведено из строя 15 тысяч человек.
Надежную защиту от газа изобрел знаменитый русский химик Н. Д. Зелинский. Он предложил противогаз с активированным (очищенным от смол) древесным углем. Древесный уголь хорошо поглощает различные вещества благодаря своей пористой структуре. Он пронизан колоссальным количеством тончайших пор, канальцев, стенки которых создают огромную поверхность — в сотни квадратных метров на один грамм. А процесс поглощения происходит именно на поверхности вещества.
Активированный уголь и другие «жадные» вещества в химии называют адсорбентами. Теперь известно много подобных веществ. Они широко применяются в промышленности для очистки сахара от различных примесей, улавливания паров бензина при изготовлении резиновых изделий и т. д.
И наконец наши, киевские ученые взялись за создание искусственных молекулярных сит с заранее заданной пористостью. Им удалось синтезировать такие поглотители, у которых количество, структура и размеры пор заранее точно определены. Созданные ими искусственные вещества способны пропускать или, наоборот, задерживать молекулы различных размеров. Сита с самыми мелкими порами — «дырочками» — пропускают молекулы диаметром до четырех стомиллионных долей сантиметра, а с наибольшими порами — до тринадцати стомиллионных долей сантиметра.
Нужно ли подробно рассказывать, например, о полиэтилене. Из него изготовляют тонкие водонепроницаемые пленки, трубы, которые не боятся мороза, кислот, щелочей и бесчисленное множество других ценных изделий. Для того, чтобы получить хороший полиэтилен, необходимо полимеризовать газ этилен. Но прежде его следует очистить от вредных примесей, в частности от углекислоты, содержание которой не должно превышать одной десятитысячной процента.
Этилен обычно очищают от примесей путем неоднократного промывания специальными растворами. Затем газ приходится сушить. Это сложный и дорогостоящий процесс. Молекулярные же сита позволяют осуществлять эту операцию за один прием. Проходя сквозь металлическую колонну, наполненную синтетическим веществом с заданной пористостью, газ полностью очищается. Углекислота поглощается молекулярным ситом, а освобожденный от нее этилен поступает в цех полимеризации.
Применяя молекулярные сита, можно значительно легче и быстрее очищать и разделять смеси различных газов и жидкостей. Это открывает заманчивые перспективы. Газ одного из крупнейших в нашей стране Шебелинского месторождения на Украине, например, используется пока что лишь как топливо. Правильно ли это? Конечно, нет! Ведь, кроме метана, который голубым огоньком полыхает в топках электростанций и в плитках наших квартир, он содержит этан — прекрасное сырье для производства полиэтилена. Однако известные до недавних пор способы выделения этана были сложны, да и обходились дорого. С помощью же молекулярных сит это можно будет сделать намного быстрее и дешевле. Во всяком случае с их применением разделение газов идет в 5—8 раз эффективнее, чем всеми другими методами.
Есть еще одно очень ценное свойство молекулярных сит. Они прочно «захватывают» молекулы и «отдают» их только при нагревании. Таким образом, если «начинить» сита газами или летучими огнеопасными веществами, то они превратятся в надежные хранилища или же своеобразные контейнеры, в которых можно сохранять опасные вещества как угодно долго и перевозить их на любые расстояния. А когда понадобится извлечь газы из хранилища, освободить их из «тюрьмы», достаточно лишь нагреть сита.
Но не только химикам пригодится изобретение киевских ученых. Металлурги с его помощью могут отделять цинк от кадмия, литий от натрия, серебро от золота, извлекать редкоземельные элементы. Энергетики будут восстанавливать отработанные трансформаторные масла; нефтехимики — улавливать ценные летучие вещества при переработке нефти, предотвращать загрязнение и отравление воздуха.
Автор: А. Хидекели.