Chemische fabrikanten verbruiken elk jaar een enorme hoeveelheid energie bij het scheiden en raffineren van grondstoffen om een ​​breed scala aan producten te maken, waaronder benzine, plastic en voedsel.

In een poging om de hoeveelheid energie die wordt gebruikt bij chemische scheidingen te verminderen, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology werken aan membranen die chemicaliën kunnen scheiden zonder gebruik te maken van energie-intensieve destillatieprocessen.

"De overgrote meerderheid van de scheidingen in het veld in een verscheidenheid aan industrieën zijn thermisch aangedreven systemen zoals destillatie, en daarom besteden we een buitensporige hoeveelheid energie aan deze scheidingsprocessen - zo'n 10 tot 15 procent van het wereldwijde energiebudget wordt besteed aan chemische scheidingen, " zei Ryan Lively, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Scheidingen die het gebruik van warmte en een chemische faseovergang vermijden, zijn veel minder energie-intensief. het gebruik ervan zou een verlaging van de energiekosten met 90 procent kunnen opleveren."

Kunststofmembranen zijn al in staat om bepaalde moleculen te scheiden op basis van grootte en andere verschillen, zoals bij ontzilting van zeewater. Maar tot nu toe, de meeste membranen zijn niet bestand tegen agressieve oplosmiddelrijke chemische stromen terwijl ze ook uitdagende scheidingstaken uitvoeren.

In een studie gepubliceerd op 18 juli in Chemie van materialen en gesponsord door het Ministerie van Defensie en de National Science Foundation, de onderzoekers schetsen een proces om een ​​op polymeer gebaseerd membraan te nemen en het te infuseren met een metaaloxidenetwerk. Het resulterende membraan is veel effectiever in het weerstaan ​​van agressieve chemicaliën zonder degradatie.

"Na het plaatsen van het geprefabriceerde membraan in onze reactor, we stellen het gewoon bloot aan metaalbevattende dampen die zichzelf binnendringen in het membraanmateriaal, " zei Mark Losego, een assistent-professor aan de School of Materials Science and Engineering. "Dit proces wordt dampfase-infiltratie genoemd, en het creëert een uniform netwerk van metaaloxide door het polymeermembraan. We noemen het een 'hybride' membraan."

Niet alleen was het hybride membraan beter bestand tegen oplosmiddelen, zijn chemische scheidingsmogelijkheden zijn ook verbeterd.

"Sommige chemicaliën die moeten worden gescheiden, lijken qua grootte erg op elkaar, vorm en andere eigenschappen, waardoor ze nog moeilijker te verwerken zijn met behulp van membranen, Zei Levendig. „Deze nieuwe hybride membraan is veel selectiever. Ze kunnen chemicaliën scheiden die meer op elkaar lijken."

Het onderzoeksteam, waaronder afgestudeerde studenten Fengyi Zhang, Emily McGuinness en Yao Ma, testte de nieuwe hybride membranen in agressieve chemicaliën zoals tetrahydrofuran, dichloormethaan en chloroform, organische oplosmiddelen die het zuivere polymeermembraan in minuten oplossen. De hybride membranen bleven tijdens het testen enkele maanden stabiel.

De onderzoekers testten ook het scheiden van twee chemicaliën die zeer dicht in grootte waren. De hybride membranen waren in staat om aromatische moleculen te onderscheiden die slechts 0,2 nanometer in grootte verschilden.

"Een van de meest opwindende dingen aan dit werk was hoe eenvoudig dit proces is vanuit een productieperspectief, " Zei Losego. "We nemen in wezen pre-en-klare membranen en passen er een behandeling op toe. Dat is heel eenvoudig te vertalen naar industriële schaal."

Toekomstig onderzoek naar de membranen zal inhouden hoe we de oxide-infusies kunnen verfijnen en nieuwe soorten hybride membranen kunnen maken die een verscheidenheid aan andere chemicaliën kunnen scheiden.