Бактеріальні волокна з целюлози перетворили на фільтрувальну мембрану

Хіміки змусили бактерії провести тривимірну сітчасту структуру, яка може утримувати в собі шар води. Завдяки цьому, а також олеофобності матеріалу, мембрана з бактеріальної целюлози добре пропускає воду, але не пропускає масло. Отримана мембрана виявляє високу ефективність поділу сумішей, а матеріал для неї можна отримати дешевим і екологічним способом. Роботу опубліковано в журналі.

Під час очищення побутових і виробничих стічних вод часто необхідно розділяти суміш олійних рідин і води. Часто досліджуються мембрани, які можуть виділити масло з води, тобто відштовхують воду, але пропускають масло. Але як правило, в цих матеріалах є шкідливі фтор-містні речовини. Також їх складно очистити від залишків олії і використовувати знову, що сильно впливає на термін служби матеріалу.

Можна зайти і з іншого боку: створити мембрани, які пропускають воду, але не пропускають масляні рідини. Такий матеріал може бути використаний для поділу фаз під дією сили тяжкості: вода, що володіє більшою щільністю, швидше стикається з гідрофільною мембраною. Ідеальний матеріал для таких мембран - той, який одночасно володіє супергідрофільністю і суперолеофобністю. Однак його досить складно створити. Якщо поверхня будь-якого матеріалу може відштовхнути органічні рідини, то вона може відштовхнути і воду (через те, що поверхневе натягнення води порівняно вище). На допомогу приходить сама вода: якщо змочити пористу мембрану, вона демонструватиме необхідну гідрофільність. Відповідно, необхідно отримати олеофобний матеріал, який здатний утримувати у своїй тривимірній структурі воду.

В якості такого матеріалу вже пропонувалося використовувати целюлозні мембрани. Їх пориста структура дозволяє ефективно утримувати в товщі мембрани шар води: розподілені по всій поверхні гідроксильні групи формують з водою водневі зв'язки і одночасно відштовхують масло. Але отримувати потрібну целюлозну структуру з природних матеріалів дослідницьким групам раніше доводилося в кілька етапів, використовуючи агресивні хімічні реагенти при високих температурах.

Хіміки з Університету штату Північна Кароліна під керівництвом Венді Краузе (Wendy Krause) запропонували використовувати целюлозний матеріал, який виробляють бактерії. Його швидше і легше напрацювати і отримати, до того ж бактеріальна целюлоза не вимагає очищення від таких компонентів, як лігнін або пектин, як це необхідно при виробництві целюлози з рослинних ресурсів.

Як виробник целюлози вчені вибрали бактерію яка часто використовується для цих цілей. Бактерії виростили на кордоні повітря і середовища целюлозний позаклітинний матрикс, який ставав товщим з часом. Потім бактерії були змиті слабощілковим розчином, і отриманий матеріал дослідники розглянули за допомогою скануючого електронного мікроскопа. Діаметр волокон склав 35, 19 нанометрів.

Вчені з'ясували, що висушена мембрана дуже швидко змочується водою, менш ніж за дві секунди. Автори роботи спробували отриманий матеріал в якості фільтрувальної мембрани: вони капнули трьома мікролітрами н-додекана (поверхневе натягнення цього розчинника - 24,91 мікроньютону на метр при 20 градусах Цельсія) на змочений водою шар целюлозного матеріалу. Крайовий кут змочування склав 174,5 2,5 градуси, і це набагато більше критерію суперолеофобності (150 градусів). Потім дослідники спробували проштовхнути краплю н-додекана в товщі води через мембрану, керуючи краплею за допомогою голки. Крапля навіть не змогла відірватися від голки, вона піднялася назад, не залишивши масла на мембрані. І навпаки, крапля води змогла просочитися через мембрану, навіть коли та була змочена маслянистою рідиною.

Вчені оцінили пористість матеріалу, яка важлива для успішного утримування води в матеріалі, в 84,3 - 2,3 відсотка. Структура мембрани змогла витримати тиск до 100 фунт-сил на квадратний дюйм (689,5 кілопаскаля). Однак експериментальна установка, на якій перевіряли поділ сумішей, не дозволяла провести досліди під таким тиском. Зовнішній тиск у 20 фунт-сил на квадратний дюйм не завадив мембрані ефективно відокремити олію від води. Швидкість потоку води через фільтр товщиною 1,1 ^ 0,054 міліметра тільки під дією гравітації склала 140,35 ^ 15 літрів на квадратний метр на годину, і за цим показником мембрана не поступається багатьом комерційно доступним фільтрам. При цьому дослідники припускають, що описана ними мембрана може знадобитися не тільки для очищення стічних вод, але і в лабораторіях, наприклад при створенні органів на чіпі.

Вчені відзначають, що процес поділу можна повторювати багаторазово, до тих пір, поки мембрана змочена водою. Їм вдалося повторити експеримент п'ять разів поспіль, і ефективність склала понад 99,9 відсотка. У разі засмічення автори роботи пропонують промивати матеріал слабким лужним розчином і використовувати мембрану знову.

Воду необхідно очищати від різних речовин, і для цього вчені постійно розробляють і вдосконалюють фільтри. Наприклад, хіміки поліпшили структуру полімеру з глюкози так, що фільтр вийшов ефективніше звичного нам вугільного.