Štogod ljubitelji dobre kapljice mislili o tome, alkohol i voda vole se jako: odvojiti nije ih lako. Nije lako već zbog toga što ni pola tisućljeća nakon što je Paracelsus dao ime alkoholu (alcohol vini), nije pronađena druga metoda da se u njemu smanji udio vode osim destilacije. No pustimo sad destilaciju, destilaterije ruma i pečenje rakije: voda, H₂O, i alkohol (etanol), C₂H₅OH, kemijski su vrlo slične tvari, a što su tvari sličnije po kemijskim i fizičkim svojstvima to ih je teže odvojiti. Alkohol i voda miješaju se u svim omjerima, pa iako se mogu, zbog razlike u vrelištu (etanol vrije na 78, a voda, zna se, na 100 ^oC) odvojiti destilacijom, to ne ide lako. Tome svjedoče rakije i druge žestice koje ne sadrže više od 45 % alkohola, osim ako nisu prepečenice (dvaput destilirane). No i destilacija ima svoje limite, jer alkohol i voda pri udjelu alkohola od 96 % čine azeotropnu smjesu, što znači da ih se više ne može odvojiti destilacijom, ma destilirali ih i milijun puta. (Ostatak vode može se ukloniti kemijskim sredstvima, no to je druga priča.)

Destilacija je jednostavan no ne i jeftin proces. To kažem zato što je za destilaciju potrebno uložiti energiju, toplinu, pa kad je riječ o tome da se etanol koristi kao gorivo (bioetanol, gashol) postavlja se pitanje ne samo ekonomske nego i energetske isplativosti. Kolikogod izgledalo zanosno točiti u spremnik automobila (bio)etanol umjesto benzina, ne treba zaboraviti da se za proizvodnju bioetanola troši energija, ma proizvodio se on i od poljoprivrednog otpada. Na kraju fermentacije ne može naime biti više alkohola nego u najjačem vinu (13 – 14 %) jer veća koncentracija alkohola ubija kvaščeve gljivice, pa vrenje staje. Dobivenu alkoholnu otopinu treba pročistiti i koncentrirati destilacijom, a to zahtijeva, već smo rekli, nemali utrošak energije.

No evo novosti: kineski su znanstvenici napravili membranu kojom su uspjeli povećati koncentraciju alkohola za gotovo devet puta, pretvarajući 5%-tni alkohol u 45%-tni. Tajna je u njezinoj ekstremnoj hidrofobnosti (superhydrophobic), na što već upućuje naslov njihovog znanstvenog rada, „Highly flexible and superhydrophobic MOF nanosheet membrane for ultrafast alcohol-water separation“, objavljevljenog prošlog mjeseca u časopisu Science.

Naglasak je dakako na (super)hidrofobnosti jer se alkohol i voda po „ljubavi prema vodi“ (hidrofilnosti/hidrofobnosti) malo razlikuju. Usto je važno reći da je rečena membrana vrlo fleksibilna (highly flexible), pa se može motati poput papira. To nas zapravo ne bi trebalo čuditi, jer je riječ o foliji od propusnog poliviliden-fluorida (PVDF) na koju je nanesen nekoliko nanometara debeo sloj (nanosheet, NS) polimeriziranog kompleksa cinka s metilimidazolom, [Zn₂(MeIm)₄]_n, koji čini strukturu tipa MOF (metal-organic framework). Izrada superhidrofobne membrane je jednostavno, jer se ona spontano formira nakon što se na polimernu membranu (PVDF) stave jezgre kristalizacije te se ona uroni u prikladnu otopinu. Nakon šest sati nastaje najbolja membrana za odvajanje alkohola od vode.

Separacija se temelji na nastajanju slojeva [Zn₂(MeIm)₄]_n okomito na poroznu membranu PVDF. Slojevi su razmaknuti 0,96 nm, a između njih se nalaze 0,435 nm široki kanalići. Zbog velike hidrofobnosti slojeva MOF-NS, u kanaliće lakše prodiru molekule alkohola nego molekule vode. Separacijska svojstva membrane mogu se povećati ako se na sloj MOF-NS nanese još jedan hidrofobni sloj, naime sloj silikona (polidimetilsiloksana, PDMS). Taj sloj, istina, smanjuje brzinu prolaza otopine kroz membranu (od 25,8 na 6,8 kg m^-2 h^-1), no višestruko povećava sposobnost membrane da odvaja alkohol od vode (separacijski faktor).

Nova se membrana usto pokazala prikladnom za separaciju butanola i vode, a nadamo se da će biti iskušana i na drugim alkoholima, bilo za njihovo odvajaje od vode ili jednog od drugog. Sve u svemu, vrlo jednostavna metoda koja će zahtijevati znatno manji utrošak energije od destilacije. To kažem zato jer nema tehnološkog procesa bez utroška energije, tim više što se – kada se pažljivo pročita rad kineskih znanstvenika – zapaža da vodena otopina alkohola treba biti ugrijana na 40 ^oC. To međutim nije visoka temperatura, što znači da bi se u tehnološkom procesu mogla rabiti otpadna toplina ili Sunčeva energija. Hoćemo li takvim membranama moći peći (ne nego filtrirati!) rakiju, vidjet ćemo...

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik Prirode te urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je 3000 znanstveno-popularnih članaka te 13 znanstveno-popularnih knjiga. Upravo mu je tiskana još jedna, „Kemija – muza arhitekture“, koju je napisao u koautorstvu s arhitektom Zvonkom Pađanom.