Nye filtre kunne gøre producenterne i stand til at udføre meget selektiv kemisk adskillelse, reducere omkostninger og emissioner

Et team af kemiske og biologiske ingeniører har udviklet meget selektive membranfiltre, der kan gøre det muligt for producenter at adskille og rense kemikalier på måder, der i øjeblikket er umulige, giver dem mulighed for potentielt at bruge mindre energi og reducere kulstofemissioner, ifølge resultater offentliggjort på tryk i dag i tidsskriftet ACS Nano .

Forskere fra Tufts University sagde, at de sofistikerede membraner kan adskille organiske forbindelser ikke kun efter størrelse - så lille som et molekyle - men også ved deres elektrostatiske ladning, hvilket betyder, at producenterne kunne sortere forbindelser efter både størrelse og type. Membranerne bruger en enkel, skalerbar proces, hvor en specialpolymer opløses i et opløsningsmiddel og coates på en porøs bærer. Polymeren samler sig selv for at skabe cirka 1 nanometer størrelse kanaler, der efterligner biologiske systemer, såsom ionkanaler, som styrer passage af forbindelser gennem cellemembraner med stor effektivitet.

Tilsvarende forfatter Ayse Asatekin, Ph.d., en kemisk og biologisk ingeniørprofessor i Tufts School of Engineering, sagde, at teamets opdagelse reagerer på opfordringer i hele industrien til udvikling af mere effektive løsninger til adskillelse af kemikalier, der tegner sig for 10 til 15 procent af det globale energiforbrug, ifølge en rapport i Nature.

"Vores undersøgelse er lovende, fordi det er den første demonstration af en ny måde at lave disse selektive membraner, der er så vigtige for kemisk fremstilling, "sagde hun." Design af meget selektive membraner, der kan udføre disse komplekse adskillelser, kan virkelig øge energieffektiviteten og reducere produktionsaffald betydeligt. "

De nydesignede membraner kan:

• Lad neutrale forbindelser passere 250 gange hurtigere end ladede forbindelser af lignende størrelse;
• Når ladede og uladede forbindelser blandes, forhindre den ladede forbindelse overhovedet i at passere - dens passage afværges, fordi den neutrale forbindelse først kommer ind i kanalerne og forhindrer, at ladningsforbindelsen kommer ind; og
• Giver mulighed for at adskille ladede og uladede forbindelser i forskellige filtreringssystemer.

Asatekin bemærkede, at den ladningsbaserede adskillelse forstærkes, når opløsningen indeholder en blanding af opløste stoffer, hvilket indikerer, at membranstrukturen med succes efterligner, hvordan biologiske systemer såsom ionkanaler fungerer. Denne opdagelse har fået forskerne til at tro, at denne tilgang kan bruges til at løse andre adskillelser, og medføre selektiviteter ud over, hvad der kan opnås ved hjælp af konventionelle membraner.

"Det betyder, at vi potentielt kan lave filtre, der er i stand til adskillelser, der ikke kan opnås i øjeblikket. Filtre i dag er normalt begrænset til at adskille store fra små, og vi vil være i stand til at adskille forbindelser, der er af samme størrelse, men forskellige, "Sagde Asatekin.

Asatekin bemærkede nogle potentielle anvendelser til dette projekt, herunder rensning af antibiotika, aminosyrer, antioxidanter og andre små molekyler biologiske forbindelser, og adskillelse af ioniske væsker fra sukker i bioraffinaderier. Imidlertid, hun sagde, at hun mener, at denne generelle tilgang muligvis kan tilpasses yderligere til forskellige adskillelser med yderligere forskning.

Asatekin fungerer som hovedforsker for de intelligente polymerer, Membraner, og Separationslaboratorium ved Tufts. Labbet sigter mod at udvikle den næste generation af membraner ved at designe dem fra molekyler op. Membranerne er afhængige af polymerer, der samler sig selv, danne nanostrukturer, og afsløre kemiske funktionaliteter, der gør dem i stand til at udføre opgaver, der normalt ikke forventes fra membraner. De fjerner ikke kun bakterier, men også tungmetaller, reagere på stimuli, og adskil små molekyler efter kemisk struktur. Samlet set, målet er at udvikle membraner, der hjælper med at generere rene, sikkert vand mere effektivt og adskil kemikalier med lavere energiforbrug.