Gør kemisk adskillelse mere miljøvenlig med nanoteknologi

Kemiske separationsprocesser er essentielle i fremstillingen af ​​mange produkter fra benzin til whisky. Sådanne processer er energisk dyre og tegner sig for cirka 10-15 procent af det globale energiforbrug. Især brugen af ​​såkaldte "termiske separationsprocesser", såsom destillation til adskillelse af petroleumsbaserede kulbrinter, er dybt forankret i den kemiske industri og har et meget stort tilhørende energifodaftryk. Membranbaserede separationsprocesser har potentialet til at reducere et sådant energiforbrug betydeligt.

Membranfiltreringsprocesser, der adskiller forurenende stoffer fra den luft, vi indånder, og det vand, vi drikker, er blevet almindelige. Membranteknologier til adskillelse af kulbrinter og andre organiske materialer er dog langt mindre udviklede.

Penn Engineers udvikler nye membraner til energieffektive organiske separationer ved at gentænke deres fysiske struktur på nanoskalaen.

Nanofiltrering ved hjælp af selvsamlende membraner har været et stort forskningsområde for Chinedum Osuji, Eduardo D. Glandts præsidentprofessor i Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik og hans laboratorium. Ydeevnen af ​​disse membraner blev fremhævet i en tidligere undersøgelse, der beskriver, hvordan strukturen af ​​selve membranen hjalp med at minimere den begrænsende afvejning mellem selektivitet og permeabilitet, som man støder på i traditionelle nanofiltreringsmembraner. Denne teknologi var også inkluderet i sidste års Y-Prize-konkurrence, og vinderne har fremført en sag for dens brug til at producere alkoholfri øl og vin i en startup kaldet LiberTech.

Nu tilpasser Osujis seneste undersøgelse membranen til filtrering i organiske opløsninger såsom ethanol og isopropylalkohol, og dens selvsamlende molekyler gør den mere effektiv end traditionel nanofiltrering med organisk opløsningsmiddel (OSN).

Undersøgelsen, offentliggjort i Science Advances , beskriver, hvordan de ensartede porer i denne membran, kan finjusteres ved at ændre størrelsen eller koncentrationen af ​​de selvsamlende molekyler, der i sidste ende danner materialet. Denne indstilling åbner nu døre for brugen af ​​denne membranteknologi til at løse flere forskellige organiske filtreringsproblemer i den virkelige verden. Forskere i Osuji-laboratoriet, herunder førsteforfatter og tidligere postdoc-forsker, Yizhou Zhang, postdoc-forsker, Dahin Kim og kandidatstuderende, Ruiqi Dong, samt Xunda Feng fra Donghua University, bidrog til dette arbejde.

En udfordring, holdet stod over for, var vanskeligheden ved at opretholde membranstabilitet i organiske opløsningsmidler med forskellige polariteter. De valgte molekylære arter, overfladeaktive stoffer, der udviste lav opløselighed i organiske væsker, og som effektivt kunne kobles sammen kemisk for at give den nødvendige stabilitet. De overfladeaktive stoffer samler sig selv i vand, når de er over en vis koncentration, og danner en blød gel. En sådan selvsamling - dannelsen af ​​en ordnet tilstand - som en funktion af koncentration omtales som lyotropisk adfærd:"lyo-" refererer til opløsning, og "-tropic" refererer til orden. De således dannede geler kaldes lyotrope mesofaser.

Membranerne udviklet i denne undersøgelse blev skabt ved først at danne lyotropiske mesofaser af det overfladeaktive stof i vand, sprede den bløde gel som en tynd film og derefter bruge en kemisk reaktion til at binde de overfladeaktive stoffer sammen for at danne en nanoporøs polymer. Størrelsen af ​​porerne i polymeren bestemmes af den selvsamlede struktur af den lyotrope mesofase.

"Ved en vis koncentration i en vandig opløsning samler de overfladeaktive molekyler sig og danner cylindriske stænger, og så vil disse stænger selv samle sig til en sekskantet struktur, hvilket giver et gel-lignende materiale," siger Osuji. "En af måderne, hvorpå vi kan manipulere permeabiliteten eller størrelsen af ​​porerne i vores membraner, er ved at ændre koncentrationen og størrelsen af ​​de overfladeaktive molekyler, der bruges til at skabe selve membranen. I denne undersøgelse manipulerede vi begge disse variabler for at justere vores porestørrelser fra 1,2 nanometer ned til 0,6 nanometer."

Disse membraner er kompatible med organiske opløsningsmidler og kan skræddersyes til at løse forskellige adskillelsesudfordringer. Organisk opløsningsmiddel nanofiltrering kan reducere fodaftrykket af traditionelle termiske separationsprocesser. Den ensartede porestørrelse af de her udviklede membraner giver overbevisende fordele med hensyn til membranselektivitet og i sidste ende også energieffektivitet.

"En specifik anvendelse for denne teknologi er inden for biobrændstofproduktion," siger Osuji. "Isoleringen af ​​vandblandbare alkoholer fra bioreaktorer er et nøgletrin i fremstillingen af ​​ethanol og butanol biobrændstoffer. Membranseparationer kan reducere den energi, der bruges til adskillelse af produktalkoholer eller brændstoffer, fra det vandige medium i reaktoren. Anvendelsen af membraner er særligt fordelagtige i mindre skalaoperationer som denne, hvor destillation ikke er omkostningseffektiv."

"Derudover involverer fremstillingen af ​​mange farmaceutiske produkter ofte flere syntesetrin i forskellige opløsningsmiddelmiljøer. Disse trin kræver overførsel af et kemisk mellemprodukt fra et opløsningsmiddel til et andet blandbart opløsningsmiddel, hvilket gør denne nye membran til en perfekt løsning til lægemiddeludviklingsfiltreringsbehov. "

De næste trin for deres forskning involverer både teori og praksis. Holdet planlægger at udvikle nye modeller til membranafvisning og permeabilitet, der adresserer det unikke flowmønster af løsninger gennem deres membraner samt identificere yderligere fremtidige applikationer til deres tunbare teknologi. + Udforsk yderligere

Ny målrettet modifikationsstrategi forbedrer selektiviteten af ​​polyamid nanofiltreringsmembraner