Covalente organische materialen met goed geordende poreuze microstructuren zouden de membranen kunnen leveren die nodig zijn voor technologie om te voldoen aan steeds strengere milieucontroles en kosteneffectief te produceren.

Onderzoekers van KAUST hebben kristallijne membranen gegenereerd, bestaande uit organische bouwstenen die bij elkaar worden gehouden door covalente bindingen, die zuivering en terugwinning van organische oplosmiddelen mogelijk maken met een hoge selectiviteit en hoge flux. De membranen hebben ook potentieel voor innovatieve processen in de chemische industrie.

Nanofiltratie met organisch oplosmiddel omvat meestal op polymeren gebaseerde membranen die kleine poriën hebben maar dichte en amorfe netwerken vormen. Goed geordende microporeuze materialen, zoals zeolieten en metaal-organische raamwerken, presteren aanzienlijk beter dan deze conventionele membranen in verschillende scheidingsprocessen. Echter, ze zijn niet geschikt voor uitgebreid gebruik bij vloeistofscheiding vanwege hun slechte structurele en chemische stabiliteit in vloeistoffen.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van Zhiping Lai, heeft een synthetische benadering ontwikkeld die goed geordende microporeuze materialen produceert die worden gestabiliseerd door covalente keto-enaminebindingen. Deze bindingen worden geproduceerd door de reactie tussen amine- en aldehyde-functionele groepen van organische verbindingen.

De onderzoekers fabriceerden de membranen volgens de Langmuir-Blodgett-methode, die op betrouwbare wijze dunne films met een groot oppervlak met een goed gedefinieerde dikte produceerde met behulp van amfifiele aldehyde- en amine-precursoren. Ze zetten de oplossingen van het voorlopermengsel af op een wateroppervlak om zwak gebonden tweedimensionale hexagonale structuren te vormen. Zodra het oplosmiddel verdampt, ze comprimeerden de films zijdelings en voegden een organisch zuur toe aan het mengsel, het transformeren van de omkeerbare bindingen in covalente keto-enaminebindingen en het op hun plaats afdichten van de hexagonale structuren.

De nieuwe membranen presteerden beter dan amorfe analogen die met dezelfde methode en de beste op polymeren gebaseerde systemen zijn vervaardigd. "Ze delen dezelfde chemie als polymeeranalogen, resulterend in soortgelijke hydrothermische, chemische en mechanische stabiliteiten, maar hun fluxen zijn hoger, " zegt postdoctoraal fellow, Digambar Shinde, eerste auteur van het artikel.

De doorlaatbaarheid voor organische oplosmiddelen van de nieuwe membranen is bijna een orde van grootte hoger dan die van de best gerapporteerde polymeermembranen, voegt hij eraan toe. De membranen waren stabieler dan metaal-organische raamwerken en kosteneffectiever dan anorganische membranen. Ze zouden ook mengsels van kleurstofmoleculen kunnen scheiden die verschillen in molecuulgewichten en -groottes.

Het team werkt momenteel aan het uitbreiden van het gebruik van de membranen naar een veelheid aan toepassingen. "De poriegroottes van deze membranen zijn geschikt voor de voorbehandeling van zeewaterontzilting, voedselverwerking, zuivering van farmaceutische en medische processen, zoals hemodialyse, " zegt Shinde. De membranen kunnen ook nuttig zijn voor het verwijderen van zware metalen, virussen en bacteriën.