Chemische scheidingsprocessen zijn essentieel bij de vervaardiging van veel producten, van benzine tot whisky. Dergelijke processen zijn energetisch kostbaar, goed voor ongeveer 10-15 procent van het wereldwijde energieverbruik. Met name het gebruik van zogenaamde "thermische scheidingsprocessen", zoals destillatie voor het scheiden van op aardolie gebaseerde koolwaterstoffen, is diep geworteld in de chemische industrie en heeft een zeer grote bijbehorende energievoetafdruk. Op membraan gebaseerde scheidingsprocessen hebben het potentieel om een ​​dergelijk energieverbruik aanzienlijk te verminderen.

Membraanfiltratieprocessen die verontreinigingen scheiden van de lucht die we inademen en het water dat we drinken, zijn gemeengoed geworden. Membraantechnologieën voor het scheiden van koolwaterstof en andere organische materialen zijn echter veel minder ontwikkeld.

Penn Engineers ontwikkelen nieuwe membranen voor energie-efficiënte organische scheidingen door hun fysieke structuur op nanoschaal te heroverwegen.

Nanofiltratie met behulp van zelfassemblerende membranen is een belangrijk onderzoeksgebied geweest voor Chinedum Osuji, Eduardo D. Glandt, presidentieel hoogleraar bij de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering, en zijn laboratorium. De prestaties van deze membranen werden benadrukt in een eerdere studie waarin werd beschreven hoe de structuur van het membraan zelf heeft bijgedragen aan het minimaliseren van de beperkende afweging tussen selectiviteit en permeabiliteit die wordt aangetroffen in traditionele nanofiltratiemembranen. Deze technologie maakte ook deel uit van de Y-Prize-competitie van vorig jaar en de winnaars hebben een pleidooi gehouden voor het gebruik ervan om alcoholvrij bier en wijn te produceren in een startup genaamd LiberTech.

Nu past Osuji's nieuwste onderzoek het membraan aan voor filtratie in organische oplossingen zoals ethanol en isopropylalcohol, en de zelfassemblerende moleculen maken het efficiënter dan traditionele organische-oplosmiddel-nanofiltratie (OSN).

De studie, gepubliceerd in Science Advances , beschrijft hoe de uniforme poriën van dit membraan kunnen worden verfijnd door de grootte of concentratie van de zelfassemblerende moleculen die uiteindelijk het materiaal vormen te veranderen. Deze afstembaarheid opent nu deuren voor het gebruik van deze membraantechnologie bij het oplossen van meer diverse reële organische filtratieproblemen. Onderzoekers in het Osuji-lab, waaronder eerste auteur en voormalig postdoctoraal onderzoeker, Yizhou Zhang, postdoctoraal onderzoeker, Dahin Kim en afgestudeerde student, Ruiqi Dong, evenals Xunda Feng van Donghua University, hebben bijgedragen aan dit werk.

Een uitdaging waarmee het team werd geconfronteerd, was de moeilijkheid om de membraanstabiliteit te handhaven in organische oplosmiddelen met verschillende polariteiten. Ze selecteerden moleculaire soorten, oppervlakteactieve stoffen, die een lage oplosbaarheid vertoonden in organische vloeistoffen en die effectief chemisch aan elkaar konden worden gekoppeld om de vereiste stabiliteit te verschaffen. De oppervlakteactieve stoffen assembleren zichzelf in water wanneer ze boven een bepaalde concentratie zijn, en vormen een zachte gel. Een dergelijke zelfassemblage - de vorming van een geordende toestand - als functie van concentratie wordt lyotroop gedrag genoemd:"lyo-" verwijst naar oplossing en "-tropisch" verwijst naar orde. De zo gevormde gels worden lyotrope mesofasen genoemd.

De membranen die in dit onderzoek zijn ontwikkeld, zijn gemaakt door eerst lyotrope mesofasen van de oppervlakteactieve stof in water te vormen, de zachte gel als een dunne film te verspreiden en vervolgens een chemische reactie te gebruiken om de oppervlakteactieve stoffen aan elkaar te koppelen om een ​​nanoporeus polymeer te vormen. De grootte van de poriën in het polymeer wordt bepaald door de zelf-geassembleerde structuur van de lyotrope mesofase.

"Bij een bepaalde concentratie in een waterige oplossing aggregeren de oppervlakteactieve moleculen en vormen cilindrische staven, en dan zullen die staven zichzelf assembleren tot een hexagonale structuur, wat een gelachtig materiaal oplevert", zegt Osuji. "Een van de manieren waarop we de permeabiliteit, of de grootte van de poriën in onze membranen, kunnen manipuleren, is door de concentratie en grootte van de oppervlakteactieve moleculen te veranderen die worden gebruikt om het membraan zelf te maken. In deze studie hebben we beide variabelen gemanipuleerd om af te stemmen onze poriegroottes van 1,2 nanometer tot 0,6 nanometer."

Deze membranen zijn compatibel met organische oplosmiddelen en kunnen worden aangepast om verschillende scheidingsuitdagingen aan te pakken. Nanofiltratie met organisch oplosmiddel kan de voetafdruk van traditionele thermische scheidingsprocessen verkleinen. De uniforme poriegrootte van de hier ontwikkelde membranen biedt overtuigende voordelen op het gebied van membraanselectiviteit en uiteindelijk ook energie-efficiëntie.

"Een specifieke toepassing voor deze technologie is de productie van biobrandstoffen", zegt Osuji. "De isolatie van met water mengbare alcoholen uit bioreactoren is een belangrijke stap in de productie van biobrandstoffen voor ethanol en butanol. Membraanscheidingen kunnen de energie verminderen die wordt gebruikt bij het scheiden van de productalcoholen of brandstoffen uit het waterige medium in de reactor. Het gebruik van membranen is vooral voordelig bij kleinschalige operaties zoals deze, waar destillatie niet kosteneffectief is."

"Bovendien omvat de productie van veel farmaceutische producten vaak verschillende synthesestappen in verschillende oplosmiddelomgevingen. Die stappen vereisen de overdracht van een chemisch tussenproduct van het ene oplosmiddel naar een ander mengbaar oplosmiddel, waardoor dit nieuwe membraan een perfecte oplossing is voor de filtratiebehoeften van geneesmiddelenontwikkeling. "

De volgende stappen voor hun onderzoek omvatten zowel theorie als praktijk. Het team is van plan om nieuwe modellen voor membraanafstoting en permeabiliteit te ontwikkelen die het unieke stroompatroon van oplossingen door hun membranen aanpakken en om aanvullende toekomstige toepassingen voor hun afstembare technologie te identificeren. + Verder verkennen

Nieuwe gerichte modificatiestrategie verbetert de selectiviteit van polyamide nanofiltratiemembranen