Wytrzymała nanomembrana może umożliwić energooszczędną separację cząstek w procesach przemysłowych

(Wiadomości z NanworkPrzemysł od dawna opiera się na energochłonnych procesach, takich jak destylacja i krystalizacja, w celu oddzielenia cząsteczek, które ostatecznie są wykorzystywane jako składniki leków, chemikaliów i innych produktów.

W ostatnich dziesięcioleciach pojawiły się naciski, aby zastąpić te procesy membranami, które są potencjalnie tańszą i przyjazną dla środowiska alternatywą. Niestety większość membran wykonana jest z polimerów, które ulegają degradacji podczas użytkowania, co czyni je niepraktycznymi.

Aby rozwiązać ten problem, zespół badawczy kierowany przez Uniwersytet w Buffalo stworzył nową, bardziej stabilną membranę, która jest w stanie wytrzymać trudne warunki — wysokie temperatury, wysokie ciśnienie i złożone rozpuszczalniki chemiczne — związane z przemysłowymi procesami separacji.

Jest wykonany z materiału nieorganicznego zwanego tlenkiem metalu domieszkowanego węglem i został opisany w badaniu opublikowanym w 2015 roku Nauki („Nanomembrany międzyfazowe z tlenkiem metalu domieszkowanego węglem do precyzyjnej i szybkiej separacji cząstek”.). Zdjęcie pokazuje, jak powstaje membrana. Trzy pionowe obrazy po lewej stronie pokazują wiązania pomiędzy tetrachlorkiem tytanu (reagentem metalicznym) i glikolem etylenowym (reagentem organicznym). Zdjęcie centralne pokazuje sposób połączenia obu materiałów. Obrazy po prawej stronie przedstawiają membranę bez porów (gęsty OHF) i membranę po usunięciu węgla w celu utworzenia porów (porowaty CDTO). (Zdjęcie: Uniwersytet w Buffalo)

„Procesy separacji molekularnej — czy to do odsalania wody, czy do produkcji leków lub nawozów — zużywają niesamowitą ilość energii” – mówi autor badania Miao Yu, dr, profesor innowacji SUNY Imperial na Wydziale Inżynierii Chemicznej i Biologicznej. Na Uniwersytecie Buffalo w Wyższej Szkole Inżynierii i Nauk Stosowanych.

„Opracowaliśmy technologię łatwego wytwarzania solidnych, pozbawionych defektów membran zawierających sztywne nanopory, które można precyzyjnie kontrolować, aby umożliwić przejście przez nie cząsteczek o różnych rozmiarach” – dodaje Yu, główny pracownik naukowy w Instytucie UB RENEW .

Pierwszymi autorami badania są Pratin Sengupta, doktorant w laboratorium Yu, oraz dr Qiaobei Dong, który studiował pod okiem Yu, a obecnie pracuje w GTI Energy.

Inspiracja produkcją półprzewodników

Aby stworzyć membranę, zespół badawczy zainspirował się dwiema powszechnymi, choć niepowiązanymi technikami produkcji.

Pierwszą z nich jest osadzanie warstw molekularnych, które polega na układaniu cienkich warstw materiałów i często kojarzone jest z produkcją półprzewodników. Drugą technologią jest polimeryzacja międzyfazowa – metoda łączenia substancji chemicznych zwykle używanych do tworzenia ogniw paliwowych, czujników chemicznych i innej elektroniki.

„Te metody nie są nowe, ale sposób, w jaki je stosujemy, jest nowy i to jest klucz do tworzenia nowych porowatych membran” – mówi Sengupta.

W eksperymentach badacze połączyli dwa tanie reagenty – ciekły glikol etylenowy i gazowy czterochlorek tytanu – na nośniku na bazie aluminium. W ciągu kilku minut w reakcji utworzyła się cienka warstwa.

Aby utworzyć nanopory, poddano folię działaniu ciepła. Ciepło spala węgiel, tworząc maleńkie mikroskopijne dziury, przez które mogą przechodzić cząsteczki. Rozmiar nanoporów może wynosić od 0,6 do 1,2 nanometra – zależy to od środowiska gazu kalcynującego, a także ilości i czasu trwania ciepła.

Możliwość zmniejszenia śladu węglowego

Nowa membrana wytrzymuje temperatury do 140°C i ciśnienia do 30 atmosfer pod wpływem rozpuszczalników organicznych. Cechy te są kluczowe, ponieważ pozwalają membranie oddzielać cząsteczki w wysokich temperaturach (aby większość membran polimerowych działała, należy obniżyć temperaturę rozpuszczalnika, co jest kosztowne z energetycznego punktu widzenia).

„Z tego punktu widzenia nasza membrana może zmniejszyć ślad węglowy wielu procesów przemysłowych” – mówi Yu.

Aby zademonstrować skuteczność membrany, zespół wykazał, że może ona oddzielić boskalid, środek grzybobójczy stosowany do ochrony upraw, od katalizatora i odczynnika inicjującego. Cały proces przeprowadzono w temperaturze 194 stopni Fahrenheita.

Zespół planuje przeprowadzić dodatkowe eksperymenty, aby wykazać, że membranę można zastosować w produktach komercyjnych. Ponadto Yu planuje założyć spółkę, aby zwiększyć opłacalność komercyjną tej technologii.