Осушение газа требуется не только в промышленности, но и в бытовых системах вентиляции и кондиционирования (в данном случае — воздуха). Ведь на охлаждение сухого воздуха затрачивается меньше энергии.
Сейчас для осушения газов в промышленности используют абсорбционные колонны с триэтиленгликолем, а в системах кондиционирования — адсорбционные или рефрижераторные способы осушения, однако метод довольно энергозатратен.
Сотрудники химического факультета и факультета наук о материалах МГУ вместе с работниками Удмуртского научного центра РАН и немецкого синхротронного центра DESY предложили мембраны на основе оксида графена, способные эффективно осушать воздух.
Двумерные материалы, к которым относятся графен и его оксиды, рассматриваются материаловедами как перспективная основа для очень качественных мембран. Надежды связаны с тем, что толщина двумерных материалов — всего несколько атомных слоёв. За счёт этого в них можно создавать слоевые дефекты, пропускающие только определённый вид молекул. Например, оксид графена обладает двумерной структурой и хорошо смачивается водой из-за большого количества кислородсодержащих групп. В результате материалы на основе оксида графена могут сорбировать до 60% воды относительно своей массы. Пропуская воду, оксид графена блокирует перенос остальных газов. То есть вода через мембрану пройдёт, а всё остальное — нет.
Впервые возможность использования мембран на основе оксида графена для осушения газа была обнаружена в 2012 году в работе Нобелевского лауреата Андрея Гейма. Однако в том и в последующих исследованиях авторы не изучали влияние химического состава и содержания различных функциональных групп на скорость транспорта газов и паров воды. Именно это было сделано в нынешнем исследовании химиков МГУ с коллегами из других научных центров.
Оксид графена — не одно, а целый класс соединений с различным соотношением атомов углерода и кислорода и различными функциональными группами. И многие его свойства определяются химическим составом, который задаётся на стадии синтеза. Проведённая в МГУ работа показала, что для создания высокоэффективных осушающих мембран нужен оксид графена с минимально возможным соотношением атомов углерода к кислороду. Химики получали его обработкой порошка графита перманганатом калия. Различной степени окисленности добивались изменением соотношения графита и перманганата калия. Для формирования мембраны полученную суспензию наносили на подложку из оксида алюминия и затем изучали её транспортные свойства, для чего использовали разные физико-химические методы.
Говоря об эффективности мембраны на основе оксида графена, старший научный сотрудник кафедры неорганической химии МГУ Дмитрий Петухов отметил, что при пропускании через неё газа (при 27°С) с относительной влажностью, близкой к 100%, последняя снижается до 30—40%. Что касается производительности, то в лабораторных экспериментах мембрана площадью 2 см2 осушала 50 мл газа в минуту. На данный момент разработан способ получения плоских мембран и перед исследователями стоит задача разработки мембран для трубчатых фильтров.
Также есть ряд проблем, связанных с нанесением оксида графена на большие площади, увеличением стабильности и долговечности мембран. Сейчас химики МГУ работают над повышением устойчивости мембран к перепаду давления, экспериментируя с внедрением в межслоевое пространство оксида графена различных соединений.
Результаты исследования опубликованы в журнале «Carbon».
По информации пресс-службы МГУ им. М. В. Ломоносова.
Фото Александры Кучеровой, МГУ.
