Новости химической науки > Нагревание наночастицами позволит отделить спирт от воды

Новый метод нагревания жидких смесей может понизить затраты энергии, требующиеся для перегонки веществ. Было обнаружено, что облучение лазером золотых наночастиц в смеси этанол/вода позволяет селективно испарять этанол, не заставляя кипеть всю жидкую смесь.

Метод работает, если лазерное излучение заменить на облучение обычным солнечным светом. Исследователи предполагают, что новая технология может оказаться полезной для применения в полевых условиях.

В ходе обычного процесса перегонки происходит нагревание жидких смесей, и разделение компонентов осуществляется на основании различия температур кипения – в начале перегонки пары над жидкостью обогащены более легкокипящим веществом (если смесь жидкостей не представляет собой азеотропную смесь), охлаждение и конденсация паров позволяет отделить легкокипящий компонент от реакционной смеси. Как отмечает профессор Университета Райса Наоми Халас (Naomi J. Halas), перегонка представляет собой исключительно энергозатратный процесс. Так, при производстве биоэтанола на перегонку затрачивается 75-80% от всей энергии, которая расходуется на получение биотоплива.

Рисунок из Nano Lett. 2015, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02804

Для понижения затрат энергии Халас и её коллеги решили использовать наночастицы. Десятилетие назад Халас первой сообщила о процессе, основанном на том, что наночастицы с металлической оболочкой могут поглощать свет с определенной длиной волны, в результате чего они интенсивно нагревают область вокруг себя. В 2012 году химики из Университета Райса показали, что освещение солнечным светом водных растворов, содержащих 100-нанометровые наночастицы с ядрами из оксида кремния и оболочкой из золота, может приводить к генерированию пара.

В новой работе аналогичный прием был испробован на водно-этанольных смесях. С помощью световода исследователи освещали работающим в ближнем ИК лазером с мощностью 15 Ватт водно-этанольные смеси, содержащие уже упомянутые наночастицы. Уже через несколько минут наночастицы разогревались, и их разогрев приводил к испарению этанола, пары которого были отобраны и сконденсированы. По словам Халас, большие наночастицы не попадали в этанольные пары даже в следовых концентрациях. Разработанная методика позволяет также предотвратить образование азеотропа – обычной проблемы, затрудняющей разделение водно-спиртовых смесей и обуславливающей необходимость применения осушителей для связывания воды. Исследователи испытали «наноперегонку» на смесях с различным соотношением этанола и воды, и во всех случаях отбираемая фракция этанола оказывалась чище, чем фракция, которую можно получить с помощью традиционной перегонки.

Исследователи не провели расчеты, позволяющие наглядно продемонстрировать, насколько новая методика экономнее в своих энергетических запросах в сравнении с традиционной перегонкой, однако Халас утверждает, что для наноперегонки может использоваться солнечный свет, который заменит собой электростанцию. Более того – еще в большей степени удешевить новый способ перегонки поможет замена двуслойных золотосодержащих частиц на углеродные.

Источник: Nano Lett. 2015, DOI: 10.1021/acs.nanolett.5b02804

метки статьи: #нанотехнологии, #физическая химия