De industrie vertrouwt al lang op energie-intensieve processen, zoals destillatie en kristallisatie, om moleculen te scheiden die uiteindelijk dienen als ingrediënten in medicijnen, chemicaliën en andere producten.

De afgelopen decennia is er een poging geweest om deze processen te vervangen door membranen, die potentieel een goedkoper en milieuvriendelijker alternatief zijn. Helaas zijn de meeste membranen gemaakt van polymeren die tijdens gebruik afbreken, waardoor ze onpraktisch zijn.

Om dit probleem op te lossen heeft een onderzoeksteam onder leiding van de Universiteit van Buffalo een nieuw, steviger membraan ontwikkeld dat bestand is tegen zware omstandigheden (hoge temperaturen, hoge druk en complexe chemische oplosmiddelen) die gepaard gaan met industriële scheidingsprocessen.

Het is gemaakt van een anorganisch materiaal dat met koolstof gedoteerd metaaloxide wordt genoemd en wordt beschreven in een onderzoek dat op 7 september in Science is gepubliceerd. .

"De processen van het scheiden van moleculen – of het nu gaat om de ontzilting van water, de productie van medicijnen of kunstmest – gebruiken ongelooflijk veel energie", zegt de corresponderende auteur van het onderzoek, Miao Yu, Ph.D., SUNY Empire Innovation Professor bij de afdeling Chemie. en Biologische Technologie aan de Universiteit van Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.

"Wat we hebben ontwikkeld is een techniek om eenvoudig defectvrije, sterke membranen te fabriceren met stijve nanoporiën die nauwkeurig kunnen worden gecontroleerd om moleculen van verschillende grootte door te laten", voegt Yu toe, een lid van de kernfaculteit van het UB RENEW Institute.

De eerste auteurs van de studie zijn Bratin Sengupta, een Ph.D. student in Yu's laboratorium, en Qiaobei Dong, Ph.D., die bij Yu studeerde en nu bij GTI Energy werkt.

Geïnspireerd door halfgeleiders

Om het membraan te creëren heeft het onderzoeksteam zich laten inspireren door twee veelgebruikte, maar niet-gerelateerde productietechnieken.

De eerste is de afzetting van moleculaire lagen, waarbij dunne films van materialen in lagen worden aangebracht en die meestal wordt geassocieerd met de productie van halfgeleiders. De tweede techniek is grensvlakpolymerisatie, een methode voor het combineren van chemicaliën die vaak wordt gebruikt om brandstofcellen, chemische sensoren en andere elektronica te maken.

"Deze methoden zijn niet nieuw", zegt Sengupta, "maar de manier waarop we ze toepassen is dat wel, en dat is de sleutel tot het creëren van onze nieuwe nanoporeuze membranen."

In experimenten voegden onderzoekers twee goedkope reactanten – vloeibaar ethyleenglycol en gasvormig titaniumtetrachloride – samen op een drager op aluminiumbasis. Binnen enkele minuten ontstond er door de reactie een dunne film.

Om de nanoporiën te creëren, pasten ze warmte toe op de film. De hitte verbrandt koolstof, waardoor kleine, microscopisch kleine gaatjes ontstaan ​​waar moleculen doorheen kunnen. De grootte van de nanoporiën kan een diameter hebben van 0,6 tot 1,2 nanometer, zoals bepaald door de omgeving van het calcineringsgas en de hoeveelheid en duur van de warmte.

Met deze methode kunnen onderzoekers een lastig probleem – kleine gaatjes die overgaan in grotere gaten, waardoor ze poreuzer worden dan de bedoeling was – vermijden door membranen op polymeerbasis te creëren.

Potentieel om de ecologische voetafdruk te verkleinen

Het nieuwe membraan is bestand tegen temperaturen tot 140°C en drukken tot 30 atmosfeer bij blootstelling aan organische oplosmiddelen. Deze eigenschappen zijn van cruciaal belang omdat ze ervoor zorgen dat het membraan moleculen kan scheiden bij hoge temperaturen (om de meeste polymeermembranen te laten werken moet de temperatuur van de oplosmiddelen worden verlaagd, wat kostbaar is vanuit energieoogpunt).

"Vanuit dit oogpunt heeft ons membraan het potentieel om de ecologische voetafdruk van veel industriële processen te verkleinen", zegt Yu.

Om de effectiviteit van het membraan aan te tonen, liet het team zien dat het boscalid, een fungicide dat wordt gebruikt om gewassen te beschermen, kan scheiden van de katalysator en het startreagens. Het hele proces vond plaats bij 194°F.

Het team plant aanvullende experimenten om te bewijzen dat het membraan kan worden opgeschaald voor commerciële producten. Bovendien is Yu van plan een bedrijf op te richten om de commerciële levensvatbaarheid van de technologie te bevorderen.

Meer informatie: Bratin Sengupta et al, Met koolstof gedoteerde metaaloxide-nanofilms op het grensvlak voor ultrasnelle en nauwkeurige scheiding van moleculen, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adh2404

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door de Universiteit van Buffalo