Metaloxid-infunderede membraner kunne tilbyde et lavenergialternativ til kemisk adskillelse

Kemikalieproducenter bruger en enorm mængde energi hvert år på at adskille og raffinere råmaterialer for at fremstille en lang række produkter, herunder benzin, plast og mad.

I et forsøg på at reducere mængden af ​​energi, der bruges i kemiske separationer, forskere ved Georgia Institute of Technology arbejder på membraner, der kan adskille kemikalier uden at bruge energikrævende destillationsprocesser.

"Langt de fleste separationer ude i marken i en række industrier er termisk drevne systemer såsom destillation, og på grund af det bruger vi en overdreven mængde energi på disse separationsprocesser - noget som 10 til 15 procent af det globale energibudget bruges på kemiske separationer, " sagde Ryan Lively, en lektor i Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Separationer, der undgår brug af varme og en kemisk faseændring, er meget mindre energiintensive. at bruge dem kunne give en reduktion på 90 procent i energiomkostningerne."

Plastmembraner er allerede i stand til at adskille visse molekyler baseret på størrelse og andre forskelle, såsom ved afsaltning af havvand. Men indtil nu, de fleste membraner har ikke været i stand til at modstå hårde opløsningsmiddelrige kemikaliestrømme, mens de også har udført udfordrende separationsopgaver.

I en undersøgelse offentliggjort 18. juli i Materialernes kemi og sponsoreret af Department of Defense og National Science Foundation, forskerne skitserer en proces til at tage en polymerbaseret membran og tilføre den et metaloxidnetværk. Den resulterende membran er langt mere effektiv til at modstå skrappe kemikalier uden at nedbrydes.

"Efter at have placeret den præfabrikerede membran inde i vores reaktor, vi blot udsætter det for metalholdige dampe, der trænger sig ind i membranmaterialet, " sagde Mark Losego, en adjunkt på School of Materials Science and Engineering. "Denne proces kaldes dampfaseinfiltration, og det skaber et ensartet netværk af metaloxid gennem hele polymermembranen. Vi kalder det en 'hybrid' membran. "

Ikke alene var hybridmembranen bedre i stand til at modstå opløsningsmidler, dens kemiske separationsevner blev også forbedret.

"Nogle kemikalier, der skal adskilles, er meget ens med hensyn til deres størrelse, form og andre egenskaber, hvilket gør dem endnu sværere at behandle med membraner, " sagde Lively. "Disse nye hybridmembraner er meget mere selektive. De kan adskille kemikalier, der minder mere om hinanden."

Forskerholdet, som omfattede kandidatstuderende Fengyi Zhang, Emily McGuinness og Yao Ma, testet de nye hybridmembraner i barske kemikalier såsom tetrahydrofuran, dichlormethan og chloroform, organiske opløsningsmidler, der opløser den rene polymermembran på få minutter. Hybridmembranerne forblev stabile i flere måneder under testning.

Forskerne testede også at adskille to kemikalier meget tæt på størrelse. Hybridmembranerne var i stand til at differentiere aromatiske molekyler, der var forskellige i størrelse med så lidt som 0,2 nanometer.

"En af de mest spændende ting ved dette arbejde var, hvor ligetil denne proces er fra et produktionsperspektiv, " Losego sagde. "Vi tager i det væsentlige præfabrikerede membraner og anvender en behandling på dem. Det er noget, der ville være meget enkelt at oversætte til en industriel skala. "

Fremtidig forskning i membranerne vil involvere at se på, hvordan man finjusterer oxidinfusionerne og laver nye typer hybridmembraner, der er i stand til at adskille en række andre kemikalier.