Le membrane su misura offrono un metodo più pulito per la separazione su scala industriale di miscele chimiche, dice Suzana Nunes. Ma prima dobbiamo rendere la loro produzione più ecologica.

Le membrane polimeriche porose potrebbero davvero ripulire nelle industrie chimiche e biotecnologiche, Suzana Nunes crede. Proprio come le membrane permeabili hanno sostituito le tecniche ad alto consumo di energia, come l'evaporazione per la desalinizzazione dell'acqua di mare, le membrane potrebbero essere un'opzione molto più rispettosa dell'ambiente per innumerevoli purificazioni chimiche industriali, dice il professore KAUST di scienze ambientali e ingegneria.

Prima di fare il cambio, c'è una sfida da vincere, Nunes discute. Ironia della sorte, nonostante le loro applicazioni ambientali, il processo classico per realizzare la membrana è di per sé tutt'altro che verde. La maggior parte delle membrane sono realizzate con solventi organici volatili, esponendo i lavoratori a vapori nocivi. Questi solventi figurano nell'elenco dell'UE dei prodotti chimici industriali per i quali è più urgente trovare prodotti più puliti, alternative più sicure. In molti paesi, i solventi devono affrontare un potenziale divieto.

"L'industria riconosce l'importanza di sostituire questi solventi organici, " dice Nunes. "Ma sostituirli con cosa?"

Assumere un ruolo guida nella produzione verde

È qui che deve entrare in gioco la ricerca, Nunes dice, e dove lei stessa sta prendendo l'iniziativa. Nunes ha in mente una soluzione in due fasi al problema delle membrane:dimostrare all'industria un metodo più pulito per realizzarle; quindi dimostra che queste membrane verdi funzionano altrettanto bene, o meglio, rispetto alle membrane realizzate convenzionalmente per le separazioni industriali.

I progressi nella fase uno sono già a buon punto. Il modo classico per realizzare una membrana è prendere un polimero e dissolverlo in un solvente organico. La soluzione viene colata in uno strato sottile, e parte del solvente viene lasciato evaporare prima di essere immerso in acqua per completare il processo, Nunes spiega.. La dimensione dei pori nel foglio polimerico risultante decide in gran parte quali componenti di una miscela chimica possono passare attraverso la membrana e quali vengono respinti.

Nunes sostiene un approccio alternativo alla fabbricazione delle membrane. "Il nostro lavoro si è concentrato sull'utilizzo di liquidi ionici come solventi, " dice. I liquidi ionici sono sali liquidi a temperatura ambiente, ma sono completamente non volatili, rendendoli molto più sicuri per i lavoratori. I liquidi ionici sono stati un tema caldo della ricerca sulla chimica verde negli ultimi dieci anni e ora è disponibile in commercio un'ampia gamma.

Facendo progressi

Nunes e il suo team alla KAUST stanno già creando membrane utilizzando liquidi ionici. Molte membrane porose ad alte prestazioni esistenti incorporano un polimero chiamato polietersulfone e l'anno scorso, i ricercatori hanno dimostrato di poterli realizzare utilizzando un solvente liquido ionico1. Cosa c'è di più, la nuova membrana ha superato un equivalente prodotto convenzionalmente per la separazione di miscele complesse di peptidi e proteine, un processo attualmente costoso e laborioso per l'industria biotecnologica. Le applicazioni sono vaste. Ad esempio, molti nuovi farmaci sono farmaci biologici a base di proteine, che deve essere altamente purificato prima di essere somministrato ai pazienti. Le giuste membrane porose potrebbero semplificare notevolmente questo processo.

Passare ai liquidi ionici per la produzione di membrane dovrebbe avere altri vantaggi, Nunes discute. "Pensiamo di poter sciogliere polimeri che fino ad ora non siamo riusciti a sciogliere, ed estendere il tipo di materiali che possiamo utilizzare per le membrane, "Dice Nuni.

Realizzare membrane con nuovi materiali potrebbe essere di reale beneficio per molte separazioni dell'industria chimica, dove prendere una membrana commerciale esistente dallo scaffale spesso non è un'opzione praticabile. I due maggiori usi attuali delle membrane, le membrane per dialisi per l'assistenza sanitaria e le membrane per la desalinizzazione per la produzione di acqua dolce, coinvolgono liquidi a base d'acqua a temperature favorevoli. Ma le separazioni chimiche possono coinvolgere solventi organici, acidi o alcali e alte temperature. Queste condizioni corrosive degradano rapidamente una membrana normale.

Parallelamente al suo lavoro sui liquidi ionici, Nunes ha sviluppato membrane a base di poli(ossindolebifenililene), che sono impermeabili a pH estremi e possono separare con successo miscele chimiche in solventi organici a temperature senza precedenti di oltre 300°C2. "Questo è un tema di reale rilevanza industriale, dove possiamo contribuire sempre di più nei prossimi anni, " lei dice.

La combinazione di questo tipo di resilienza della membrana con la produzione a base di liquido ionico è la prossima sfida che i ricercatori devono affrontare per massimizzare i benefici ambientali delle membrane, Nunes dice.

"Dieci anni da oggi, Spero che avremo convinto l'industria delle membrane, e useranno già solventi alternativi, " dice. "E sono sicuro che useremo le membrane nell'industria chimica molto più di quanto non siano usate ora, " aggiunge. "Ecco dove i ricercatori come me possono contribuire maggiormente al cambiamento".