Ο διαχωρισμός των μορίων απαιτεί πολλή ενέργεια. Αυτή η νανοπορώδης, ανθεκτική στη θερμότητα μεμβράνη θα μπορούσε να το αλλάξει αυτό

Η βιομηχανία βασίζεται εδώ και πολύ καιρό σε διαδικασίες έντασης ενέργειας, όπως η απόσταξη και η κρυστάλλωση, για να διαχωρίσει μόρια που τελικά χρησιμεύουν ως συστατικά σε φάρμακα, χημικά και άλλα προϊόντα.

Τις τελευταίες δεκαετίες, υπήρξε μια ώθηση για την αντικατάσταση αυτών των διεργασιών με μεμβράνες, οι οποίες είναι δυνητικά μια πράσινη εναλλακτική λύση χαμηλότερου κόστους. Δυστυχώς, οι περισσότερες μεμβράνες κατασκευάζονται από πολυμερή που αποικοδομούνται κατά τη χρήση, καθιστώντας τις μη πρακτικές.

Για να λύσει αυτό το πρόβλημα, μια ερευνητική ομάδα με επικεφαλής το Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο δημιούργησε μια νέα, ισχυρότερη μεμβράνη που μπορεί να αντέξει σε σκληρά περιβάλλοντα (υψηλές θερμοκρασίες, υψηλή πίεση και σύνθετους χημικούς διαλύτες) που σχετίζονται με τις βιομηχανικές διαδικασίες διαχωρισμού.

Κατασκευασμένο από ένα ανόργανο υλικό που ονομάζεται οξείδιο μετάλλου με πρόσμιξη άνθρακα, περιγράφεται σε μια μελέτη που δημοσιεύτηκε στις 7 Σεπτεμβρίου στο Επιστήμη.

“Οι διαδικασίες διαχωρισμού μορίων, είτε για αφαλάτωση νερού, παραγωγή φαρμάκων ή λιπάσματα, χρησιμοποιούν απίστευτη ποσότητα ενέργειας”, λέει ο αντίστοιχος συγγραφέας της μελέτης, Miao Yu, Ph.D., Καθηγητής Καινοτομίας SUNY. Empire στο Τμήμα Χημείας. και Βιολογική Μηχανική στο Πανεπιστήμιο στο Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.

«Αυτό που αναπτύξαμε είναι μια τεχνική για την εύκολη κατασκευή ισχυρών, χωρίς ελαττώματα μεμβρανών που έχουν άκαμπτους νανοπόρους που μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια για να επιτρέψουν σε μόρια διαφορετικών μεγεθών να περάσουν», προσθέτει ο Yu, ανώτερο μέλος ΔΕΠ στο RENEW Institute of the UB.

Οι πρώτοι συγγραφείς της μελέτης είναι ο Bratin Sengupta, Ph.D. φοιτητής στο εργαστήριο του Yu και ο Qiaobei Dong, Ph.D., ο οποίος σπούδασε με τον Yu και τώρα εργάζεται στην GTI Energy.

Εμπνευσμένο από ημιαγωγούς

Για τη δημιουργία της μεμβράνης, η ερευνητική ομάδα εμπνεύστηκε από δύο κοινές, αλλά άσχετες, τεχνικές κατασκευής.

Το πρώτο είναι η εναπόθεση μοριακού στρώματος, η οποία περιλαμβάνει την τοποθέτηση στρωμάτων λεπτών μεμβρανών υλικών και συχνά συνδέεται με την παραγωγή ημιαγωγών. Η δεύτερη τεχνική είναι ο διεπιφανειακός πολυμερισμός, ο οποίος είναι μια μέθοδος συνδυασμού χημικών ουσιών που χρησιμοποιούνται συνήθως για τη δημιουργία κυψελών καυσίμου, χημικών αισθητήρων και άλλων ηλεκτρονικών εξαρτημάτων.

«Αυτές οι μέθοδοι δεν είναι νέες», λέει ο Sengupta, «αλλά ο τρόπος που τις εφαρμόζουμε είναι και αυτό είναι το κλειδί για τη δημιουργία των νέων μας νανοπορωδών μεμβρανών».

Σε πειράματα, οι ερευνητές συντήξαν δύο αντιδραστήρια χαμηλού κόστους (υγρή αιθυλενογλυκόλη και αέριο τετραχλωριούχο τιτάνιο) σε ένα στήριγμα με βάση το αλουμίνιο. Μέσα σε λίγα λεπτά, η αντίδραση δημιούργησε ένα λεπτό φιλμ.

Για να δημιουργήσουν τους νανοπόρους, εφάρμοσαν θερμότητα στο φιλμ. Η θερμότητα καίει τον άνθρακα, δημιουργώντας μικροσκοπικές μικροσκοπικές τρύπες για να περάσουν τα μόρια. Το μέγεθος των νανοπόρων μπορεί να κυμαίνεται από 0,6 έως 1,2 νανόμετρα σε διάμετρο, όπως καθορίζεται από το περιβάλλον του αερίου φρύξης καθώς και από την ποσότητα και τη διάρκεια της θερμότητας.

Η μέθοδος επιτρέπει στους ερευνητές να αποφύγουν ένα επίμονο πρόβλημα (μικρές τρύπες που συγχωνεύονται με μεγαλύτερες, καθιστώντας τις πιο πορώδεις από το αναμενόμενο) όταν δημιουργούν μεμβράνες με βάση πολυμερή.

Δυνατότητα μείωσης του αποτυπώματος άνθρακα

Η νέα μεμβράνη μπορεί να αντέξει θερμοκρασίες έως 284°F (140°C) και πιέσεις έως και 30 ατμόσφαιρες όταν εκτίθεται σε οργανικούς διαλύτες. Αυτά τα χαρακτηριστικά είναι βασικά επειδή επιτρέπουν στη μεμβράνη να διαχωρίζει μόρια σε υψηλές θερμοκρασίες (για να λειτουργήσουν οι περισσότερες πολυμερείς μεμβράνες, η θερμοκρασία των διαλυτών πρέπει να μειωθεί, κάτι που είναι ενεργειακά ακριβό).

«Από αυτή την άποψη, η μεμβράνη μας έχει τη δυνατότητα να μειώσει το αποτύπωμα άνθρακα πολλών βιομηχανικών διεργασιών», λέει ο Yu.

Για να αποδείξει την αποτελεσματικότητα της μεμβράνης, η ομάδα έδειξε ότι μπορούσε να διαχωρίσει το boscalid, ένα μυκητοκτόνο που χρησιμοποιείται για την προστασία των καλλιεργειών, από τον αρχικό του καταλύτη και αντιδραστήριο. Η όλη διαδικασία έγινε στους 194°F.

Η ομάδα σχεδιάζει πρόσθετα πειράματα για να αποδείξει ότι η μεμβράνη μπορεί να κλιμακωθεί για εμπορικά προϊόντα. Επιπλέον, ο Yu σχεδιάζει να ιδρύσει μια εταιρεία για την προώθηση της εμπορικής βιωσιμότητας της τεχνολογίας.