Membrány jsou dělící bariéry umožňující selektivní průchod složek jednofázových a vícefázových plynných nebo kapalných směsí. Pod obvyklým názvem filtry jsou membrány běžně používány pro čistění vody a vzduchu, ale také jsou základním prvkem velmi rozvinutých technologií zajišťující např. chod atomových reaktorů nebo mimotělních umělých orgánů. Filtry pro čistění vody podle velikosti pórů odstraňují znečisťující pevné a kapalné příměsi, nebo i sůl při odsolování mořské vody. Membrány respirátorů odstraňují částice prachu, zdraví ohrožující chemické plyny, ale i bakterie o velikosti mikronů a viry o ještě řádově menší velikosti několika nanometrů.
Keramické a celulózové membrány jsou vyráběny z tradičních přírodních materiálů s širokou škálou velikosti pórů a představují většinu používaných membrán. Novější polymerní membrány reprezentují skupinu speciálních často na míru připravovaných membrán. Jsou vyráběny z různých typů polymerů s rozličnými vlastnostmi povrchů, často dodatečně upravovanými chemickými skupinami, které mění jejich elektrickou polaritu a interakci s pronikajícími látkami. Do skupiny speciálních membrán patří i membrány z uhlíkových nanotrubic. Pokud jsou nanotrubice membrán orientované ve směru toku, pak průměrná velikost nanopórů odpovídá průměru syntetizovaných nanotrubic od 0,4 do 20 nanometrů. Membrány z neorientovaných nanotrubic propletených do soudržné sítě mají střední hodnotu pórů od 20 nanometrů výše. Oba typy uhlíkových membrán jsou elektricky vodivé a chemické vlastnosti uhlíkových povrchů se dají upravovat podobně jako povrchy polymerních membrán.
Výzkum v Ústavu pro hydrodynamiku
V Ústavu pro hydrodynamiku AV ČR ve spolupráci s Centrem polymerních systémů Univerzity T. Bati ve Zlíně se zaměřujeme na možné využití elektrické vodivosti uhlíkových membrán ke změně jejich průtokových vlastností. Doposud byly vyvinuty elektricky vodivé nanoporézní membrány z propletených uhlíkových nanotrubic na polyuretanové podložce s elektricky řízenými průtoky polárních a nepolárních par organických rozpouštědel (Slobodian a kol., 2018).
Interakce par k povrchu uhlíkových nanotrubic se ukázala jako stěžejní faktor ovlivňující průtok membránou. Bylo zjištěno, že hydrokarbonové páry jsou silně přitahovány k povrchu uhlíku na rozdíl od polárních alkoholů. Na základě dílčích měření je předpokládáno, že lineární molekuly hydrokarbonů např. hexanu mají těsný kontakt s povrchem uhlíkových nanotrubic. Jejich dlouhé molekuly se mohou svou ohebností přizpůsobit podélnému zakřivení pórů membrány a klouzat po jejich stěnách. Oproti tomu polární páry např. metanolu, jehož krátké molekuly jsou při průtoku membránou brzděny nárazy na stěny pórů, mají nižší hodnoty průtoků než nepolární hydrokarbonové páry.
Uvedený obraz průtoku polárních a nepolárních organických par uhlíkovou membránou se radikálně mění vlivem působení vnitřního stejnosměrného elektrického pole v membráně. Naše měření prokazovala, že průtoky alkoholových par byly více jak dvojnásobné oproti průtokům hydrokarbonových par při shodném napětí elektrického pole. Tento trend v průtocích polárních a nepolárních par je zcela opačný oproti hodnotám průtoků membránami bez elektrického pole. Měření dále ukázala, že např. dlouhé molekuly oktanu vůbec nepronikaly membránou o střední velikosti pórů okolo 20 nanometrů bez působení elektrického pole. Jeho vlivem byl průnik iniciován a při vypnutí elektrického pole znovu ustal. Tyto zjištěné poznatky ukazují, že kombinací vlivů elektrické polarity par, elektrického pole a velikostí nanopórů lze upravit hydrodynamické podmínky umožňující v praxi využít elektricky řízených membrán např. k selektivnímu čistění par. Nezanedbatelné jsou zároveň ekonomicky příznivé podmínky výroby těchto membrán vzhledem k nízké ceně uhlíkových nanotrubic a odpovídajících technologických postupů.
Obr. 1: Nanoporézní membrána z uhlíkových nanotrubic
Obr. 2: Řez membránou o síle 50 mikronů (tmavá vrstva) na polyuretanové podložce (světlá vrstva)
Publikace:
Slobodian, P., Říha, P., Kondo, H., Cvelbar, U., Olejník, R., Matyáš, J., Sekine, M., Hori, M. (2020). Transparent elongation and compressive strain sensors based on aligned carbon nanowalls embedded in polyurethane. Sensors and Actuators, A: Physical. 306(May), 111946.
Slobodian, P., Říha, P., Olejník, R., Matyáš, J. (2020). Accelerated Shape Forming and Recovering, Induction, and Release of Adhesiveness of Conductive Carbon Nanotube/Epoxy Composites by Joule Heating. Polymers. 12(5), 1030.
Slobodian, P., Říha, P., Olejník, R., Sedlačík, M. (2020). Ethylene-octene-copolymer with embedded carbon and organic conductive nanostructures for thermoelectric applications. Polymers. 12(6), 1316.
Slobodian, P., Říha, P., Olejník, R., (2018). Electrically-Controlled Permeation of Vapors Through Carbon Nanotube Network-Based Membranes. IEEE Transactions on Nanotechnology 17, 332-337.
Slobodian, P., Lloret Pertegás, S., Říha, P., Matyáš, J., Olejník, R., Schledjewski, R., Kovář, M., (2018). Glass fiber/epoxy composites with integrated layer of carbon nanotubes for deformation detection. Composites Science and Technology 156, 61-69.
Slobodian, P., Cvelbar, U., Říha, P., Olejník, R., Matyáš J., Filipič, G., Watanabe, H., Tajima, S., Kondo, H., Sekine, M., Hori, M., (2015). High sensitivity of carbon nanowalls based sensor for detection of organic vapours. Royal Society of Chemistry: Advances 5, 90515–90520.