Flinterdunne membranen die op maat zijn gemaakt om specifieke moleculen van vloeistoffen te scheiden, kunnen de efficiëntie van olieraffinage en farmaceutische productie verbeteren.

Filteren van organische oplosmiddelen - op koolstof gebaseerde vloeistoffen, zoals oliën en alcoholen, die andere stoffen oplossen, is cruciaal voor aardolie, chemische en farmaceutische bedrijven die consequent het puurste product moeten maken.

Traditionele extractietechnieken, zoals distillatie, enorme hoeveelheden energie verbruiken, en opkomende groene alternatieven, zoals membranen, andere uitdagingen aangaan. Bijvoorbeeld, poreuze materialen moeten bestand zijn tegen vaak zeer reactieve oplosmiddelen terwijl ze doelmoleculen van een bepaalde grootte en vorm uitfilteren. Er zijn enkele zeer efficiënte membranen beschikbaar voor het scheiden van zout van water bij ontzilting van zeewater, maar ze zijn niet zo effectief in het scheiden van kleinere, zeer vergelijkbare moleculen in organische oplosmiddelen.

Een team onder leiding van KAUST-onderzoekers heeft een ultradun poreus membraan gemaakt met behulp van zorgvuldig vervaardigde moleculaire bouwstenen, bekend als trianglaminen. "Je kunt het je voorstellen als LEGO, " legt Suzana Nunes uit, hoogleraar Chemische en Milieuwetenschappen en Engineering, "waar je voorgevormde holle driehoeken neemt en ze samenvoegt in een platte film." Door eerst de poriegrootte en elektrische lading van deze driehoekige moleculen te definiëren, ze gingen verder met het maken van een membraan dat moleculen van verschillende groottes en vormen kon scheiden.

Membraandikte is ook van cruciaal belang voor de filterefficiëntie. "Voor snellere filtratie, de film moet zo dun mogelijk zijn om onnodige weerstand tegen het passeren van het oplosmiddel te voorkomen, ", zegt Nunes. Om dit te bereiken, ze scheidden de twee hoofdingrediënten (tereftaloylchloride en de voorgevormde trianglaminen) in twee verschillende vloeistoffen die niet mengen (olie en water, respectievelijk), waardoor de reactie alleen plaatsvond op het grensvlak waar de vloeistoffen elkaar ontmoetten. "We ontdekten dat dit een extreem dunne laag van enkele nanometers vormde, " zegt Tiefan Huang, de hoofdauteur, "veel dunner dan gewone commerciële membranen die op deze manier zijn bereid." Elke film was tussen 3,5 en 10 nanometer, afhankelijk van hoe lang de reactie duurde.

Het team testte hun membranen op gekleurde kleurstoffen met vergelijkbare maar verschillende molecuulgroottes. Al hun membranen filterden ten minste 90 procent van de kleurmoleculen die meer dan 450 gram per mol wogen, veel beter presteren dan sommige van de andere membranen die ze hebben getest. "De prestaties van de membranen gingen niet achteruit na 48 uur continue filtratie, " voegt Huang toe. En ze weerstonden zelfs blootstelling aan hardere stoffen, inclusief aceton en methanol.

"Moleculaire zuivering voor geneesmiddelen kan veel stappen omvatten, ", legt Nunes uit. "Selectievere en stevigere membranen zoals de onze kunnen het proces vereenvoudigen, waardoor het kosteneffectiever wordt. De machines die we gebruikten, worden al veel gebruikt in de membraanindustrie, " zij voegt toe, "zodat het gemakkelijk kan worden opgeschaald voor productie."

De membranen in dit onderzoek zijn specifiek op maat gemaakt voor moleculen van rond de 400 gram per mol. "We zullen vervolgens werken aan een portfolio van bouwstenen, zodat we membranen kunnen maken voor het selecteren van moleculen in veel verschillende vormen en maten, " zegt Nunes, "en uiteindelijk helpen om de scheiding van organische oplosmiddelen duurzamer te maken."