Credito:King Abdullah University of Science and Technology
Una robusta membrana di nanofiltrazione che funge da setaccio molecolare altamente efficace può evitare molti dei problemi con le attuali membrane polimeriche.
La filtrazione svolge un ruolo cruciale in molti settori, dalla purificazione dell'acqua alla produzione farmaceutica. La nanofiltrazione di solventi organici, ad esempio, utilizza membrane con pori minuscoli per rimuovere le molecole disciolte in solventi organici (a base di carbonio).
La nanofiltrazione è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai metodi di separazione alternativi come la distillazione. Ma per resistere ai rigori dell'uso industriale, le membrane di nanofiltrazione devono essere stabili contro solventi, acidi e basi aggressivi.
"Purtroppo, la maggior parte delle membrane a base di polimeri mostrano una scarsa stabilità chimica", afferma il postdottorato Rifan Hardian. Queste membrane in genere necessitano di reticolanti chimici aggiuntivi per migliorare la loro stabilità, il che complica la loro produzione. Molte membrane, mentre si gonfiano e invecchiano, tendono anche a perdere le loro prestazioni e possono persino rompersi per rilasciare contaminanti in tracce.
Hardian e i suoi colleghi di KAUST Mahmoud A. Abdulhamid e Gyorgy Szekely hanno ora superato questi inconvenienti creando un nuovo tipo di membrana a setaccio molecolare di carbonio (CMS) che non richiede reticolanti aggiuntivi.
La membrana si basa su un polimero chiamato 6FDA-DMN, che può essere formato in una membrana piatta e porosa con una buona stabilità termica. Cuocere la membrana polimerica a 400–600 gradi Celsius per diverse ore ha gradualmente bruciato alcuni dei suoi gruppi chimici per lasciare una membrana dura fatta interamente di carbonio. Le immagini al microscopio elettronico hanno mostrato che alle temperature più elevate, questo processo di carbonizzazione riduce notevolmente anche i pori della membrana.
Dopo aver messo a punto le condizioni utilizzate per realizzare la membrana CMS, i ricercatori hanno testato le sue capacità di filtrazione utilizzando soluzioni contenenti molecole di diverse dimensioni. Il profilo delle molecole trattenute dalla membrana, rispetto a quelle che sono passate attraverso i suoi pori, ha rivelato quanto fosse efficace la membrana nel setacciare diverse molecole.
Le membrane preparate a 600 gradi Celsius si sono comportate al meglio, trattenendo la maggior parte delle molecole più piccole e consentendo il flusso delle molecole di solvente. Il team ha anche scoperto che la struttura porosa del polimero iniziale era fondamentale per produrre una membrana CMS con un'elevata permeabilità ai solventi.
"Una combinazione di un'elevata reiezione di piccole molecole e di un'elevata permeanza ai solventi indica una migliore prestazione della membrana", spiega Hardian. "Le membrane hanno anche mostrato un'eccezionale stabilità in vari solventi organici, inclusi acidi e basi, per un lungo periodo."
I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la permeabilità della membrana e intendono incorporare vari nanomateriali nella membrana per controllarne le proprietà.
La ricerca è stata pubblicata su Applied Materials Today . + Esplora ulteriormente
