Brændende membraner til molekylær sigtning

En robust nanofiltreringsmembran, der fungerer som en yderst effektiv molekylsigte, kan undgå mange af problemerne med nuværende polymermembraner.

Filtrering spiller en afgørende rolle i mange industrier, lige fra vandrensning til farmaceutisk produktion. Organisk opløsningsmiddel nanofiltrering bruger for eksempel membraner med bittesmå porer til at fjerne molekyler, der er opløst i organiske (kulstofbaserede) opløsningsmidler.

Nanofiltrering er mere energieffektiv end alternative separationsmetoder såsom destillation. Men for at modstå belastningen ved industriel brug skal nanofiltreringsmembraner være stabile mod skrappe opløsningsmidler, syrer og baser.

"Desværre udviser størstedelen af ​​polymerbaserede membraner dårlig kemisk stabilitet," siger postdoc Rifan Hardian. Disse membraner har typisk brug for yderligere kemiske tværbindere for at forbedre deres stabilitet, hvilket komplicerer deres fremstilling. Mange membraner, når de svulmer og ældes, har også en tendens til at miste deres ydeevne, og de kan endda nedbrydes for at frigive spor forurenende stoffer.

Hardian og hans KAUST-kolleger Mahmoud A. Abdulhamid og Gyorgy Szekely har nu overvundet disse ulemper ved at skabe en ny slags carbon molecular sieve (CMS)-membran, der ikke kræver yderligere tværbindere.

Membranen er baseret på en polymer kaldet 6FDA-DMN, som kan formes til en flad, porøs membran med god termisk stabilitet. Bagning af polymermembranen ved 400-600 grader Celsius i flere timer afbrændte gradvist nogle af dens kemiske grupper for at efterlade en hård membran udelukkende lavet af kulstof. Elektronmikroskopbilleder viste, at ved de højeste temperaturer krympede denne karboniseringsproces også membranens porer betydeligt.

Efter at have finjusteret de betingelser, der blev brugt til at fremstille CMS-membranen, testede forskerne dens filtreringsevner ved hjælp af opløsninger indeholdende molekyler med en række størrelser. Profilen af ​​molekyler, der tilbageholdes af membranen, sammenlignet med dem, der passerede gennem dens porer, afslørede, hvor effektiv membranen var til at sigte forskellige molekyler.

Membranerne fremstillet ved 600 grader Celsius klarede sig bedst og holdt de fleste af de mindste molekyler tilbage, mens de tillod opløsningsmiddelmolekyler at strømme igennem. Holdet fandt også ud af, at den porøse struktur af den oprindelige polymer var nøglen til at producere en CMS-membran med høj opløsningsmiddelpermeans.

"En kombination af høj afvisning af små molekyler og høj opløsningsmiddelpermeans indikerer en bedre membranydelse," forklarer Hardian. "Membranerne udviste også enestående stabilitet i forskellige organiske opløsningsmidler, herunder syre og base, i en lang periode."

Forskerne arbejder nu på at forbedre membranens permeance og planlægger at inkorporere forskellige nanomaterialer i membranen for at kontrollere dens egenskaber.

Forskningen blev offentliggjort i Applied Materials Today . + Udforsk yderligere

Forskere regulerer porestørrelsesfordelingen for at forbedre nanofiltreringsmembranen