Про молекулярне сито

Хіба існує таке? Адже зі словом «сито» у нашому уявленні пов’язаний вельми нехитрий побутовий прилад з фанери і плетених дротів, призначений для просіювання борошна та інших нескладних кухонних справ. Правда, застосовуються сита і в промисловості – борошномельній, цементній і т. д. Але про молекулярне сито ви не знайдете згадки де інде. Однак воно існує, і честь його створення в нашій країні належить київським вченим з лабораторії адсорбентів Інституту фізичної хімії в місті Києві.

Молекулярне сито призначене для «просіювання» молекул. Просіяти молекули !.. Чи можливо це? Пригадаймо рядки з підручника фізики: «Молекулою називається найменша частинка речовини, яка має її основні властивості і здатна до самостійного існування…»

А що означає найменша? Якось вчені здійснили такий експеримент: у басейні об’ємом 400 кубічних метрів розчинили ложку солі. І все ж точні прилади виявили у воді сіль. А зміст її становив всього лише 20 мільйонних часток грама на один грам рідини!

Молекулу не побачиш під окуляром звичайного оптичного мікроскопа. Виявити її можна, та й то не у всіх випадках, тільки електронним мікроскопом, який дає збільшення в сотні тисяч разів. Діаметр молекули води, наприклад, дорівнює трьом стомільйонним часткам сантиметра. А адже молекула води – далеко не карлик серед молекул інших речовин!

Наскільки ж малі «дірки» повинно мати сито, щоб крізь нього вільно проходили найдрібніші частинки речовини одного сорту і затримувалися – іншого. Сита, зроблені з металевого дроту, шовкових або інших ниток, для цієї мети, звичайно, не придатні: навіть найтонші з них мають отвори розміром у кілька тисячних часток сантиметра. Не годяться тут і паперові фільтри, крізь які проходять віруси. Адже віруси в тисячу разів більше, ніж молекули, скажімо, газів. Який же тоді матеріал здатний просівати молекули ?

… 1785 рік. Санкт-Петербург. Російський академік Т. Є. Ловиц досліджує розчини фарб. Він зауважує, що деревне вугілля поглинає барвники. Це наштовхує вченого на думку застосувати вугілля для очищення питної води, знебарвлення цукрового сиропу…

… 1915 рік. Європа в полум’ї першої світової війни. Вранці 22 квітня англійські та французькі солдати несподівано відчули, як легкий вітерець, який дув з боку німецьких позицій, замість прохолоди приніс задуху. Так почалася перша в світі газова атака. Вона тривала всього лише п’ять хвилин, але після неї було виведено з ладу 15 тисяч чоловік.

Надійний захист від газу винайшов знаменитий російський хімік Н. Д. Зелінський. Він запропонував протигаз з активованим (очищеним від смол) деревним вугіллям. Деревне вугілля добре поглинає різні речовини завдяки своїй пористій структурі. Воно пронизане колосальною кількістю найтонших пір, канальців, стінки яких створюють величезну поверхню – у сотні квадратних метрів на один грам. А процес поглинання відбувається саме на поверхні речовини.

Активоване вугілля та інші «жадібні» речовини в хімії називають адсорбентами. Тепер відомо багато подібних речовин. Вони широко застосовуються в промисловості для очищення цукру від різних домішок, уловлювання пари бензину при виготовленні гумових виробів і т. д.

І нарешті наші, київські вчені взялися за створення штучних молекулярних сит із заздалегідь заданою пористістю. Їм вдалося синтезувати такі поглиначі, у яких кількість, структура і розміри пір заздалегідь точно визначені. Створені ними штучні речовини здатні пропускати або, навпаки, затримувати молекули різних розмірів. Сита з найдрібнішими порами – «дірочками» – пропускають молекули діаметром до чотирьох стомільйонних часток сантиметра, а з найбільшими порами – до тринадцяти стомільйонних часток сантиметра.

Чи потрібно детально розповідати, наприклад, про поліетилен. З нього виготовляють тонкі водонепроникні плівки, труби, які не бояться морозу, кислот, лугів і незліченну безліч інших цінних виробів. Для того, щоб отримати хороший поліетилен, необхідно полимеризувати газ етилен. Але перш його слід очистити від шкідливих домішок, зокрема від вуглекислоти, зміст якої не повинен перевищувати однієї десятитисячної відсотка.

Етилен зазвичай очищають від домішок шляхом неодноразового промивання спеціальними розчинами. Потім газ доводиться сушити. Це складний і дорогий процес. Молекулярні ж сита дозволяють здійснювати цю операцію за один прийом. Проходячи крізь металеву колону, наповнену синтетичною речовиною із заданою пористістю, газ повністю очищається. Вуглекислота поглинається молекулярним ситом, а звільнений від неї етилен надходить в цех полімеризації.

Застосовуючи молекулярні сита, можна значно легше і швидше очищати і розділяти суміші різних газів і рідин. Це відкриває привабливі перспективи. Газ одного з найбільших у нашій країні Шебелинського родовища на Україні, наприклад, використовується поки що лише як паливо. Чи правильно це? Звичайно, ні! Адже, крім метану, який блакитним вогником палахкотить в топках електростанцій і в плитках наших квартир, він містить етан – прекрасна сировина для виробництва поліетилену. Однак відомі до недавніх пір способи виділення етану були складні, та й обходилися дорого. За допомогою ж молекулярних сит це можна буде зробити набагато швидше і дешевше. У всякому разі з їх застосуванням поділ газів йде в 5-8 разів ефективніше, ніж усіма іншими методами.

Є ще одна дуже цінна властивість молекулярних сит. Вони міцно «захоплюють» молекули і «віддають» їх тільки при нагріванні. Таким чином, якщо «начинити» сита газами або летючими вогненебезпечними речовинами, то вони перетворяться в надійні сховища або ж своєрідні контейнери, в яких можна зберігати небезпечні речовини як завгодно довго і перевозити їх на будь-які відстані. А коли знадобиться витягти гази зі сховища, звільнити їх з «тюрми», достатньо лише нагріти сита.

Але не тільки хімікам згодиться винахід київських вчених. Металурги з його допомогою можуть відокремлювати цинк від кадмію, літій від натрію, срібло від золота, витягувати рідкоземельні елементи. Енергетики відновлюватимуть відпрацьовані трансформаторні масла; нафтохіміки – вловлювати цінні леткі речовини при переробці нафти, зможуть запобігати забрудненню і отруєння повітря.

Автор: А. Хідекелі.