Een robuust nanofiltratiemembraan dat fungeert als een zeer effectieve moleculaire zeef kan veel van de problemen met de huidige polymeermembranen voorkomen.

Filtratie speelt een cruciale rol in veel industrieën, van waterzuivering tot farmaceutische productie. Nanofiltratie met organische oplosmiddelen maakt bijvoorbeeld gebruik van membranen met kleine poriën om moleculen te verwijderen die zijn opgelost in organische (op koolstof gebaseerde) oplosmiddelen.

Nanofiltratie is energiezuiniger dan alternatieve scheidingsmethoden zoals destillatie. Maar om de ontberingen van industrieel gebruik te weerstaan, moeten nanofiltratiemembranen bestand zijn tegen agressieve oplosmiddelen, zuren en basen.

"Helaas vertonen de meeste membranen op polymeerbasis een slechte chemische stabiliteit", zegt postdoc Rifan Hardian. Deze membranen hebben typisch extra chemische crosslinkers nodig om hun stabiliteit te verbeteren, wat hun vervaardiging bemoeilijkt. Veel membranen hebben ook de neiging om hun prestaties te verliezen als ze opzwellen en verouderen en ze kunnen zelfs kapot gaan om sporen van verontreinigingen vrij te geven.

Hardian en zijn KAUST-collega's Mahmoud A. Abdulhamid en Gyorgy Szekely hebben deze nadelen nu overwonnen door een nieuw soort koolstofmoleculaire zeef (CMS) membraan te creëren waarvoor geen extra crosslinkers nodig zijn.

Het membraan is gebaseerd op een polymeer genaamd 6FDA-DMN, dat kan worden gevormd tot een vlak, poreus membraan met een goede thermische stabiliteit. Door het polymeermembraan gedurende enkele uren op 400-600 graden Celsius te bakken, verbrandden geleidelijk enkele van zijn chemische groepen om een ​​taai membraan achter te laten dat volledig van koolstof was gemaakt. Op afbeeldingen met elektronenmicroscoop bleek dat bij de hoogste temperaturen dit carbonisatieproces ook de poriën van het membraan aanzienlijk verkleinde.

Na het verfijnen van de omstandigheden die werden gebruikt om het CMS-membraan te maken, testten de onderzoekers de filtratiecapaciteiten met behulp van oplossingen die moleculen met verschillende groottes bevatten. Het profiel van moleculen die door het membraan werden vastgehouden, vergeleken met die welke door de poriën gingen, onthulde hoe effectief het membraan was bij het zeven van verschillende moleculen.

De membranen die bij 600 graden Celsius zijn bereid, presteerden het beste, hielden de meeste van de kleinste moleculen tegen, terwijl oplosmiddelmoleculen erdoorheen konden stromen. Het team ontdekte ook dat de poreuze structuur van het oorspronkelijke polymeer de sleutel was tot het produceren van een CMS-membraan met een hoge oplosmiddeldoorlaatbaarheid.

"Een combinatie van een hoge afstoting van kleine moleculen en een hoge oplosmiddeldoorlaatbaarheid duidt op een betere membraanprestatie", legt Hardian uit. "De membranen vertoonden ook gedurende een lange periode een uitzonderlijke stabiliteit in verschillende organische oplosmiddelen, waaronder zuur en base."

De onderzoekers werken nu aan het verbeteren van de doorlaatbaarheid van het membraan en zijn van plan om verschillende nanomaterialen in het membraan op te nemen om de eigenschappen ervan te beheersen.

Het onderzoek is gepubliceerd in Applied Materials Today . + Verder verkennen

Onderzoekers reguleren de verdeling van de poriegrootte om het nanofiltratiemembraan te verbeteren