Een team van chemische en biologische ingenieurs heeft zeer selectieve membraanfilters ontwikkeld waarmee fabrikanten chemicaliën kunnen scheiden en zuiveren op manieren die momenteel onmogelijk zijn, waardoor ze mogelijk minder energie gebruiken en de CO2-uitstoot verminderen, volgens bevindingen die vandaag in het tijdschrift zijn gepubliceerd ACS Nano .

Wetenschappers van de Tufts University zeiden dat de geavanceerde membranen organische verbindingen kunnen scheiden, niet alleen op grootte - zo klein als een molecuul - maar ook op basis van hun elektrostatische lading, wat betekent dat fabrikanten verbindingen kunnen sorteren op zowel grootte als type. De membranen gebruiken een eenvoudige, schaalbaar proces waarbij een speciaal polymeer wordt opgelost in een oplosmiddel en op een poreuze drager wordt aangebracht. Het polymeer assembleert zichzelf om kanalen van ongeveer 1 nanometer te creëren die biologische systemen nabootsen, zoals ionenkanalen, die de doorgang van verbindingen door celmembranen met grote effectiviteit regelen.

Corresponderende auteur Ayse Asatekin, doctoraat, een professor in chemische en biologische technologie aan de Tufts School of Engineering, zei dat de ontdekking van het team beantwoordt aan de industriebrede roep om de ontwikkeling van efficiëntere oplossingen voor het scheiden van chemicaliën, die goed is voor 10 tot 15 procent van het wereldwijde energieverbruik, volgens een rapport in Nature.

"Onze studie is veelbelovend omdat het de eerste demonstratie is van een nieuwe manier om deze selectieve membranen te maken die zo belangrijk zijn voor chemische productie, " zei ze. "Het ontwerpen van zeer selectieve membranen die deze complexe scheidingen kunnen uitvoeren, zou de energie-efficiëntie echt kunnen verhogen en het productieafval aanzienlijk kunnen verminderen."

De nieuw ontworpen membranen kunnen:

• Laat neutrale verbindingen 250 keer sneller passeren dan geladen verbindingen van vergelijkbare grootte;
• Wanneer geladen en ongeladen verbindingen worden gemengd, voorkomen dat de geladen verbinding er überhaupt doorheen gaat - de doorgang ervan wordt voorkomen omdat de neutrale verbinding als eerste in de kanalen komt en voorkomt dat de geladen verbinding binnenkomt; en
• Biedt de mogelijkheid om geladen en ongeladen verbindingen in verschillende filtratiesystemen te scheiden.

Asatekin merkte op dat de op lading gebaseerde scheiding wordt verbeterd wanneer de oplossing een mengsel van opgeloste stoffen bevat, wat aangeeft dat de membraanstructuur met succes nabootst hoe biologische systemen zoals ionenkanalen werken. Deze ontdekking heeft de onderzoekers doen geloven dat deze benadering kan worden gebruikt om andere scheidingen aan te pakken, en selectiviteiten teweeg te brengen die verder gaan dan wat kan worden bereikt met conventionele membranen.

"Dit betekent dat we mogelijk filters kunnen maken die scheidingen kunnen maken die momenteel niet kunnen worden bereikt. Filters zijn tegenwoordig meestal beperkt tot het scheiden van groot van klein, en we willen verbindingen van dezelfde grootte maar verschillend kunnen scheiden, ' zei Asatekin.

Asatekin merkte enkele mogelijke toepassingen voor dit project op, waaronder de zuivering van antibiotica, aminozuren, antioxidanten en andere biologische verbindingen met kleine moleculen, en de scheiding van ionische vloeistoffen van suiker in bioraffinagefaciliteiten. Echter, ze zei dat ze gelooft dat deze algemene benadering mogelijk verder kan worden aangepast aan verschillende scheidingen met verder onderzoek.

Asatekin is de hoofdonderzoeker van de Smart Polymers, Membranen, en scheidingslaboratorium in Tufts. Het lab wil de volgende generatie membranen ontwikkelen door ze vanaf moleculen te ontwerpen. De membranen zijn afhankelijk van polymeren die zichzelf assembleren, nanostructuren vormen, en chemische functionaliteiten bloot te leggen die hen in staat stellen taken uit te voeren die normaal niet van membranen worden verwacht. Ze verwijderen niet alleen bacteriën maar ook zware metalen, reageren op prikkels, en scheid kleine moleculen door chemische structuur. Algemeen, het doel is om membranen te ontwikkelen die helpen bij het genereren van schone, water efficiënter te zuiveren en chemicaliën te scheiden met een lager energieverbruik.