پژوهش‌گرانی از هلند روش جدیدی برای جداسازی سیالات و محلول‌های مرکب با استفاده از یک غشای متخلخل ارائه داده‌اند. به گفته‌ی آنان آهنگ شارش ترکیبی از دو سیال در طول یک منفذ می‌تواند یا برای جداسازی نسبی آن‌ها و یا برای کنترل انتقال مواد حل‌شده از یک کانال مورد استفاده قرار گیرد. این ایده که هنوز یک پیشنهاد نظری است ممکن است برای جداسازی سیالات در فرآیندهای صنعتی یا برای جلوگیری از گرفتگی منفذ غشاها در اثر گذر مواد محلول مفید باشد.

غشاهای متخلخل به شکل گسترده‌ای در فرآیندهای جداسازی همچون فیلترکردن ذرات حل‌شده یا معلق در یک حلال، مورد استفاده قرار می‌گیرند. اما اگر دو سیال کاملاً در هم حل شده و بتوانند یک مخلوط همگن را تشکیل دهند- می‌توان انتظار داشت که این مخلوط، در گذر از یک غشا دستخوش تغییر نشود، بشرط آن‌که منفذها به شکل قابل ملاحظه‌ای پهن‌تر از مولکول‌های سیال باشند.

با این حال ترکیب‌بندی یک مخلوط سیال در داخل یک منفذ بسیار باریک (در مقیاس نانو) در مقایسه با سیال حجمی متفاوت بوده و در سرتاسر منفذ یکنواخت نیست. به یُمن تفاوت در شدت اندرکنش‌های مولفه‌های مخلوط با دیواره‌های منفذ، ممکن است یکی از مولفه‌ها در نزدیکی دیواره‌ بیشتر متمرکز شود؛ پدیده‌ای که به ترشوندگی (wetting) معروف است.

سلا سمین (Sela Samin) و رنه ون روجی (René van Roij) از دانشگاه اوترخت در هلند به شکل نظری این موضوع را مورد کاوش قرار داده‌اند که چگونه این تفکیک القاشده‌ که ناشی از منفذ است می‌تواند شارش سیال را به گونه‌ای تحت تاثیر قرار دهد که ترجیحاً یکی از مولفه‌های آن انتقال یابد. آن‌ها دو مولفه را درنظر گرفته‌اند که زیر یک «دمای بحرانی»  مخلوط‌شدنی‌اند اما به شکل خودبخود در بالای آن دما به دو فاز مایع جداسازی می‌شوند.

به طور کلی یکی از مولفه‌ها (مثلا آب در مخلوطی از آب و یک مایع آلی) اندرکنش قوی‌تری را نسبت به مولفه‌ی دیگر خواهد داشت. سپس آب به سطح منفذ نردیک‌ شده و لایه‌ی ترشونده‌ای را تشکیل خواهد داد. اگر منفذ به حد کافی کوچک باشد، این لایه اکثریت آن را اشغال خواهد کرد و بنابراین مولفه‌ی آب، نسبت به مخلوطی که به محفظه وار می‌شود، در درون منفذ غنی‌تر خواهد بود.

آیا از این تفکیک در خلل و فرج می توان تاحدودی برای جداسازی آب از مایعات آلی چنانکه تحت فشار در طول منفذ قرار می‌گیرند، استفاده کرد؟ سمین و وان روجی معادلات شارش سیال در طول یک منفذ را با استفاده از شبیه‌سازی‌های عددی حل کرده‌اند. آن‌ها انواع مختلفی از رفتار را برای نرخ‌های شارش مختلف بدست آورده‌اند. در نرخ‌های شارشیِ پایین، یک شارش پایای ترجیحی آب در طول منفذ وجود دارد که حداقل به شکل نسبی ترکیب را از هم جدا می‌کند.

برای شارش‌های پرسرعت‌تر، مخلوطی که در طول منفذ فشار داده می‌شود ترکیب‌بندی کلی خود را حفظ می‌کند: ترکیب خروجی شارش همانند ترکیب ورودی است. با این وجود برای دیواره‌هایی که آب را نسبتاً جذب می‌کنند، هنوز ستونی از سیال کم‌آب در وسط وجود خواهد داشت. مواد حل‌شده که ترجیح می‌دهند در حلال‌های آلی باقی بمانند تمایل دارند تا در مرکز تجمع پیدا کرده و از این طریق از جذب آن‌ها بر روی منفذهای دیواره و تنگی‌ها یا گرفتگی‌های منفذ جلوگیری می‌شود. این گرفتگی مشکل معمولی است که در شارش محلول‌ها بر روی سطوح و یا از طریق کانال های باریک وجود دارد. این پدیده در سیستم‌های میکرو و نانوسیالی رخ می‌دهد که به عنوان مثال در فرآیند‌های شیمیایی یا بیوپزشکی استفاده می‌شود. به گفته‌ی سمین: «ما دریافتیم که این شارش قادر است تا یک اثر خود-ضدگرفتگی را ایجاد کند».

به بیان این پژوهش‌گران، این فرآیند‌های جداسازی بایستی در گستره‌ی وسیعی از سیالات که در یک نقطه‌ی بحرانی قابلیت امتزاج‌پذیری را دارند، موثر افتد. اما این فرآیندها زمانی بسیار موثرتر عمل می‌کنند که ضخامت لایه‌ی مرطوب که در نزدیکی این دمای بحرانی رخ می‌دهد، بزرگ باشد؛ دمایی که در آن سیالات در آستانه‌ی جداسازی فاز در ترکیب حجمی قرار می‌گیرند.

دیگر پژوهش‌گران می‌گویند که هرچند این رهیافت برای جداسازی سیالات و محلول‌ها امیدبخش به‌نظر می‌رسد، اما روشن نیست که آیا برای نقاط دور از نقطه‌ی بحرانی کار خواهد کرد یا نه. اندرو پری (Andrew Parry) فیزیک‌ حالت‌جامددان از کالج سلطنتی لندن می‌گوید: «متقاعد نشده‌ام که این رویداد مخصوص مجاورت دمای بحرانی نباشد». با این حال به گفته‌ی سمین شواهدی از شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای دال بر این وحود دارد که حتی برای یک مخلوط حل‌پذیر کامل همچون آب و اتانول در مقایسه با مخلوطی که دور از نقطه‌ی بحرانی امتزاج‌پذیری است این امکان وجود دارد تا به لایه‌ی مرطوب نسبتاً ضخیم‌تری دست یابیم [1].

به‌نظر ابراهیم استروک از دانشگاه کرنل، که یک مهندس شیمی در ایتاکای نیویورک است، اگر این رهیافت بطور کلی‌تری معتبر باشد، در حقیقت می‌تواند برای استفاده در فناوری جداسازی مفید واقع شود. به بیان وی: «تنظیم‌پذیریِ جداسازی امکان ساخت طرح‌های ساده‌تر و ارزان‌تر از غشاها را فراهم می‌کند و می‌توان از منفذهای با اندازه‌های بزرگ‌تر استفاده کرد تا قابلیت نفوذپذیریِ بالاتر و جداسازی سریع‌تری را بتوان فراهم نمود».

این پژوهش در مجله‌ی فیزیکال ریویو لترز به چاپ رسیده است.

درباره‌ی نویسنده:

فیلیپ بال نویسنده‌ی آزاد علمی در لندن است.

مرجع:

1. S. Gravelle, H. Yoshida, L. Joly, C. Ybert, and L. Bocquet, “Carbon Membranes for Efficient Water-Ethanol Separation,” J. Chem. Phys. 145, 124708 (2016).

منبع:

Nanochannel Could Separate Mixed Fluids