Химики заставили бактерии произвести трехмерную сетчатую структуру, которая может удерживать в себе слой воды. Благодаря этому, а также олеофобности материала, мембрана из бактериальной целлюлозы хорошо пропускает воду, но не пропускает масло. Полученная мембрана проявляет высокую эффективность разделения смесей, а материал для нее можно получить дешевым и экологичным способом. Работа опубликована в журнале Langmuir.
Во время очистки бытовых и производственных сточных вод часто необходимо разделять смесь масляных жидкостей и воды. Часто исследуются мембраны, которые могут выделить масло из воды, то есть отталкивают воду, но пропускают масло. Но как правило, в этих материалах есть вредные фтор-содержащие вещества. Также их сложно очистить от остатков масла и использовать вновь, что сильно влияет на срок службы материала.
Можно зайти и с другой стороны: создать мембраны, которые пропускают воду, но не пропускают масляные жидкости. Такой материал может быть использован для разделения фаз под действием силы тяжести: обладающая большей плотностью вода быстрее соприкасается с гидрофильной мембраной. Идеальный материал для таких мембран — тот, который одновременно обладает супергидрофильностью и суперолеофобностью. Однако его достаточно сложно создать. Если поверхность какого-либо материала может оттолкнуть органические жидкости, то она может оттолкнуть и воду (из-за того, что поверхностное натяжение воды сравнительно выше). На помощь приходит сама вода: если смочить пористую мембрану, она будет демонстрировать необходимую гидрофильность. Соответственно, необходимо получить олеофобный материал, который способен удерживать в своей трехмерной структуре воду.
В качестве такого материала уже предлагалось использовать целлюлозные мембраны. Их пористая структура позволяет эффективно удерживать в толще мембраны слой воды: распределенные по всей поверхности гидроксильные группы формируют с водой водородные связи и одновременно отталкивают масло. Но получать нужную целлюлозную структуру из природных материалов исследовательским группам ранее приходилось в несколько этапов, используя агрессивные химические реагенты при высоких температурах.
Химики из Университета штата Северная Каролина под руководством Венди Краузе (Wendy Krause) предложили использовать целлюлозный материал, который вырабатывают бактерии. Его быстрее и легче наработать и получить, к тому же бактериальная целлюлоза не требует очистки от таких компонентов, как лигнин или пектин, как это необходимо при производстве целлюлозы из растительных ресурсов.
В качестве производителя целлюлозы ученые выбрали бактерию Gluconacetobacter hansenii, которая часто используется для этих целей. Бактерии вырастили на границе воздуха и среды целлюлозный внеклеточный матрикс, который становился толще со временем. Затем бактерии были смыты слабощелочным раствором, и получившийся материал исследователи рассмотрели при помощи сканирующего электронного микроскопа. Диаметр волокон составил 35±19 нанометров.
Ученые выяснили, что высушенная мембрана очень быстро смачивается водой, менее чем за две секунды. Авторы работы попробовали полученный материал в качестве фильтровальной мембраны: они капнули тремя микролитрами н-додекана (поверхностное натяжение этого растворителя — 24,91 микроньютона на метр при 20 градусах Цельсия) на смоченный водой слой целлюлозного материала. Краевой угол смачивания составил 174,5±2,5 градуса, и это намного больше критерия суперолеофобности (150 градусов). Затем исследователи попробовали протолкнуть каплю н-додекана в толще воды через мембрану, управляя каплей с помощью иглы. Капля даже не смогла оторваться от иглы, она поднялась обратно, не оставив масла на мембране. И наоборот, капля воды смогла просочиться через мембрану, даже когда та была смочена маслянистой жидкостью.
Ученые оценили пористость материала, которая важна для успешного удерживания воды в материале, в 84,3±2,3 процента. Структура мембраны смогла выдержать давление до 100 фунт-сил на квадратный дюйм (689,5 килопаскаля). Однако экспериментальная установка, на которой проверяли разделение смесей, не позволяла провести опыты под таким давлением. Внешнее давление в 20 фунт-сил на квадратный дюйм не помешало мембране эффективно отделить масло от воды. Скорость потока воды через фильтр толщиной 1,1±0,054 миллиметра только под действием гравитации составила 140,35±15 литров на квадратный метр в час, и по этому показателю мембрана не уступает многим коммерчески доступным фильтрам. При этом исследователи предполагают, что описанная ими мембрана может понадобиться не только для очистки сточных вод, но и в лабораториях, например при создании органов на чипе.
Ученые отмечают, что процесс разделения можно повторять многократно, до тех пор, пока мембрана смочена водой. Им удалось повторить эксперимент пять раз подряд, и эффективность составила более 99,9 процента. В случае засорения авторы работы предлагают промывать материал слабым щелочным раствором и использовать мембрану вновь.
Воду необходимо очищать от самых различных веществ, и для этого ученые постоянно разрабатывают и совершенствуют фильтры. Например, химики улучшили структуру полимера из глюкозы так, что фильтр получился эффективней привычного нам угольного.
Вера Сысоева