Wetenschap
Veelbelovende vooruitgang op het gebied van organosilica-membranen voor het scheiden van organische vloeistofmengsels
In veel chemisch-gerelateerde industrieën, zoals de farmaceutische industrie, olieraffinaderijen en voedsel- en drankenfabrieken, is het scheiden van organische vloeistofmengsels een essentiële stap. Een belangrijke methode om dit te bereiken is destillatie, waarbij een mengsel tot een specifieke temperatuur wordt verwarmd, zodat slechts één van de componenten verdampt.
Hoewel op grote schaal gebruikt, slaagt destillatie er niet in organische vloeistofmengsels te scheiden waarin beide componenten hetzelfde kookpunt hebben. Bovendien is het een energie- en hulpbronnenintensief proces, dat onderzoekers heeft gemotiveerd om naar duurzamere alternatieven te zoeken.
De afgelopen jaren hebben membraangebaseerde scheidingstechnieken gestaag aan populariteit gewonnen, omdat ze energie-efficiënter kunnen zijn en een betere selectiviteit bieden dan conventionele methoden. Hoewel er veel soorten scheidingsmembranen bestaan, worden membranen geproduceerd uit ionische vloeistoffen (IL's) zelden gebruikt voor het scheiden van organische vloeistofmengsels, voornamelijk vanwege problemen met de stabiliteit en een slecht begrip van hun eigenschappen.
Om deze beperkingen aan te pakken, ging een onderzoeksteam uit Japan de prestaties en mechanismen onderzoeken van een nieuw type op IL gebaseerd organosilica-membraan voor de scheiding van organische vloeistoffen. Het team bestond uit universitair hoofddocent Yuichiro Hirota van het Nagoya Institute of Technology, dr. Ayumi Ikeda van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology, en universitair hoofddocent Sadao Araki van de Kansai Universiteit.
Hun onderzoek werd gepubliceerd in het Journal of Membrane Science .
De scheidingstechniek die de onderzoekers gebruikten heet pervaporatie (PV). "De PV-methode houdt zich bezig met de gedeeltelijke verdamping van een vloeibaar mengsel door een membraan waarvan de stroomafwaartse zijde onder vacuüm staat, wat helpt een hogere permeabiliteit te bereiken", legt Dr. Hirota uit. Op basis van eerdere resultaten waarbij op IL gebaseerde membranen werden gebruikt om organische dampen te scheiden, verwachtte het team dat PV geschikt zou zijn voor het scheiden van mengsels van organische vloeistoffen.
Ten eerste produceerden de onderzoekers een IL van het imidazoliumtype door de chloride-ionen in 1-methyl-3-(1-triethoxysilylpropyl)imidazoliumchloride (SipmimCl) te vervangen door bis(trifluormethylsulfonyl)imide-ionen (Tf2 N − ) om SipmimTf2 te verkrijgen N. Na het wassen SipmimTf2 N met water en door het stroperige product te laten decanteren, verkreeg het team door drogen een chemisch gestabiliseerd polymeer, genaamd polySipmimTf2 N, dat silsesquioxanen bevat.
Om de membranen te maken, bedekten de onderzoekers ten slotte het buitenoppervlak van holle nanoporeuze aluminiumoxidebuizen met een oplossing van methanol en polySipmimTf2 N.
Vervolgens werden verschillende experimenten uitgevoerd om de eigenschappen en prestaties van deze membranen in de PV-methode te analyseren. Ten eerste hebben de onderzoekers door middel van unaire PV-tests (dat wil zeggen met een enkele organische verbinding in plaats van een mengsel) de permeabiliteit van verschillende alcoholen, aromatische koolwaterstoffen en alkanen gemeten. Ze onderzochten ook hoe de permeabiliteitswaarden verband hielden met de Hansen-oplosbaarheidsparameters (HSP's) van elke verbinding en die van het membraan zelf.
Daarna voerden ze binaire PV-tests uit, waarbij ze tolueen, methanol en 1-hexanol van n-hexaan scheidden. Zoals Dr. Hirota uitlegt, richtte elk van deze tests zich op een specifieke uitdaging bij het scheiden van organische vloeistoffen:"Het tolueen/n-hexaanmengsel was een aromatisch/alkaanmengsel met verschillen in vluchtigheid en moleculaire grootte. Aan de andere kant was de methanol/n-hexaan-mengsel -hexaanmengsel was een azeotroop mengsel en beide componenten hadden dus gelijke kookpunten."
"Uiteindelijk werd gekozen voor het 1-hexanol/n-hexaanmengsel omdat het moeilijk te scheiden zou zijn met behulp van moleculaire zeefmembranen."
Interessant is dat de membranen uitzonderlijk goed presteerden bij het scheiden van tolueen van n -hexaan, waardoor een hoge permeantieverhouding van 11 werd bereikt. Bovendien waren de membranen zeer selectief bij het scheiden van 1-hexanol van n -hexaan. Zoals de gegevens van de op HSP gebaseerde analyses bevestigden, was de scheidingsprestatie van de voorgestelde membranen nauw gerelateerd aan de affiniteit tussen de doelverbinding en het membraan zelf. Dit houdt in dat de ionen die de ionische vloeistof vormen, kunnen worden vervangen, afhankelijk van het beoogde organische vloeistofmengsel, om een efficiënte scheiding te bereiken.
Alles bij elkaar benadrukken de resultaten van deze studie het potentieel van op IL gebaseerde chemisch gestabiliseerde membranen voor de op affiniteit gebaseerde scheiding van organische vloeistoffen. Omdat PV op een dag energie-intensieve destillatieprocessen zou kunnen vervangen, zullen deze bevindingen bijdragen aan duurzamere chemische industrieën. Met een beetje geluk zou dit de weg moeten effenen naar koolstofneutraliteit en uiteindelijk de opwarming van de aarde moeten verzachten.