Op maat gemaakte membranen bieden een schonere methode voor het op industriële schaal scheiden van chemische mengsels, zegt Suzana Nunes. Maar eerst moeten we hun productie groener maken.

Poreuze polymere membranen zouden echt kunnen opruimen in de chemische en biotechnologische industrie, Suzana Nunes gelooft. Net zoals permeabele membranen energieverslindende technieken hebben verdrongen, zoals verdamping voor het ontzilten van zeewater, membranen zouden een veel milieuvriendelijkere optie kunnen zijn voor talloze industriële chemische zuiveringen, zegt de KAUST-hoogleraar milieuwetenschappen en techniek.

Voordat we de overstap maken, er is een uitdaging die overwonnen moet worden, Nunes betoogt. Ironisch, ondanks hun milieutoepassingen, het klassieke proces voor het maken van het membraan is zelf verre van groen. De meeste membranen worden gemaakt met vluchtige organische oplosmiddelen, werknemers blootstellen aan schadelijke dampen. Deze oplosmiddelen staan ​​op de EU-lijst van industriële chemicaliën waarvoor het dringendst behoefte is aan schonere, veiliger alternatieven. In veel landen, de oplosmiddelen worden geconfronteerd met een mogelijk verbod.

"De industrie erkent het belang van het vervangen van deze organische oplosmiddelen, ' zegt Nunes. 'Maar door wat vervangen?'

Het voortouw nemen in groene productie

Dat is waar onderzoek moet komen, Nunes zegt, en waar ze zelf het voortouw in neemt. Nunes heeft een oplossing in twee stappen voor het membraanprobleem voor ogen:demonstreren aan de industrie een schonere methode om ze te maken; bewijs dan dat deze groene membranen net zo goed presteren, of beter, dan conventioneel gemaakte membranen voor industriële scheidingen.

De voortgang bij stap één is al ver gevorderd. De klassieke manier om een ​​membraan te maken is door een polymeer te nemen en op te lossen in een organisch oplosmiddel. De oplossing wordt in een dunne laag gegoten, en een deel van het oplosmiddel mag verdampen voordat het in water wordt ondergedompeld om het proces te voltooien, Nunes legt uit.. De grootte van de poriën in het resulterende polymeervel bepaalt grotendeels welke componenten van een chemisch mengsel door het membraan kunnen gaan en welke worden afgestoten.

Nunes pleit voor een alternatieve benadering van membraanfabricage. "Ons werk was gericht op het gebruik van ionische vloeistoffen als oplosmiddel, " zegt ze. Ionische vloeistoffen zijn zouten die vloeibaar zijn bij kamertemperatuur, maar zijn volledig niet-vluchtig, waardoor ze veel veiliger zijn voor werknemers. Ionische vloeistoffen zijn het afgelopen decennium een ​​hot topic geweest in onderzoek naar groene chemie en een breed assortiment is nu in de handel verkrijgbaar.

Vooruitgang boeken

Nunes en haar team bij KAUST maken al membranen met ionische vloeistoffen. Veel bestaande hoogwaardige poreuze membranen bevatten een polymeer genaamd polyethersulfon en vorig jaar, de onderzoekers toonden aan dat ze deze konden maken met een ionisch vloeibaar oplosmiddel1. Bovendien, het nieuwe membraan presteerde beter dan een conventioneel geproduceerd equivalent voor het scheiden van complexe mengsels van peptiden en eiwitten - momenteel een kostbaar en arbeidsintensief proces voor de biotech-industrie. De toepassingen zijn enorm. Bijvoorbeeld, veel nieuwe medicijnen zijn biologische medicijnen gemaakt van eiwitten, die in hoge mate moeten worden gezuiverd voordat ze aan patiënten worden gegeven. De juiste poreuze membranen zouden dit proces drastisch kunnen vereenvoudigen.

Overschakelen naar ionische vloeistoffen voor het maken van membranen zou andere voordelen moeten hebben, Nunes betoogt. "We denken dat we polymeren kunnen oplossen die we tot nu toe niet konden oplossen, en het soort materialen uitbreiden dat we voor membranen kunnen gebruiken, ' zegt Nunes.

Het maken van membranen van nieuwe materialen kan van groot nut zijn voor veel scheidingen in de chemische industrie, waar het vaak geen haalbare optie is om een ​​bestaand commercieel membraan van de plank te pakken. De twee huidige grootste toepassingen van membranen - dialysemembranen voor de gezondheidszorg en ontziltingsmembranen voor de productie van zoet water - omvatten vloeistoffen op waterbasis bij goedaardige temperaturen. Maar bij chemische scheidingen kunnen organische oplosmiddelen betrokken zijn, zuren of logen en hoge temperaturen. Deze corrosieve omstandigheden zullen een normaal membraan snel afbreken.

Parallel aan haar werk in ionische vloeistoffen, Nunes heeft membranen ontwikkeld op basis van poly(oxindolebifenylyleen), die ongevoelig zijn voor extreme pH-waarden en met succes chemische mengsels in organische oplosmiddelen kunnen scheiden bij ongekende temperaturen van meer dan 300°C2. "Dit is een onderwerp van echte industriële relevantie, waar we de komende jaren steeds meer aan kunnen bijdragen, " ze zegt.

Het combineren van dit type membraanveerkracht met productie op basis van ionische vloeistoffen is de volgende uitdaging die onderzoekers moeten aangaan om de milieuvoordelen van membranen te maximaliseren, zegt Nunes.

"Over tien jaar, Ik hoop dat we de membraanindustrie hebben overtuigd, en ze zullen al alternatieve oplosmiddelen gebruiken, "zegt ze. "En ik weet zeker dat we membranen in de chemische industrie veel meer gaan gebruiken dan nu, " voegt ze eraan toe. "Dat is waar onderzoekers zoals ik het meest kunnen bijdragen aan verandering."