In molte industrie legate alla chimica, come quelle farmaceutiche, raffinerie di petrolio e fabbriche di alimenti e bevande, la separazione delle miscele liquide organiche è un passaggio essenziale. Un metodo fondamentale per raggiungere questo obiettivo è la distillazione, che prevede il riscaldamento di una miscela a una temperatura specifica in modo che solo uno dei suoi componenti vaporizzi.
Sebbene ampiamente utilizzata, la distillazione non riesce a separare miscele liquide organiche in cui entrambi i componenti hanno lo stesso punto di ebollizione. Inoltre, si tratta di un processo ad alta intensità energetica e di risorse, che ha motivato i ricercatori a cercare alternative più sostenibili.
Negli ultimi anni, le tecniche di separazione basate su membrana hanno guadagnato costantemente terreno poiché possono essere più efficienti dal punto di vista energetico e offrire una migliore selettività rispetto ai metodi convenzionali. Sebbene esistano molti tipi di membrane di separazione, le membrane prodotte da liquidi ionici (IL) vengono utilizzate raramente per separare miscele liquide organiche, principalmente a causa di problemi di stabilità e di una scarsa comprensione delle loro proprietà.
Per affrontare queste limitazioni, un gruppo di ricerca giapponese ha deciso di studiare le prestazioni e i meccanismi di un nuovo tipo di membrana di organosilice a base di IL per la separazione di liquidi organici. Del team facevano parte il professore associato Yuichiro Hirota del Nagoya Institute of Technology, la dottoressa Ayumi Ikeda dell'Istituto nazionale di scienza e tecnologia industriale avanzata e il professore associato Sadao Araki dell'Università di Kansai.
Il loro studio è stato pubblicato sul Journal of Membrane Science .
La tecnica di separazione utilizzata dai ricercatori è chiamata pervaporazione (PV). "Il metodo PV prevede la vaporizzazione parziale di una miscela liquida attraverso una membrana il cui lato a valle è sotto vuoto, il che aiuta a ottenere una permeabilità più elevata", spiega il Dr. Hirota. Sulla base dei risultati precedenti ottenuti utilizzando membrane a base di IL per separare i vapori organici, il team si aspettava che il PV fosse adatto per separare miscele di liquidi organici.
Innanzitutto, i ricercatori hanno prodotto un IL di tipo imidazolio sostituendo gli ioni cloruro nel cloruro di 1-metil-3-(1-trietossisililpropil)imidazolio (SipmimCl) con ioni bis(trifluorometilsulfonil)immide (Tf2 N - ) per ottenere SipmimTf2 N. Dopo aver lavato SipmimTf2 N con acqua e lasciando decantare il prodotto viscoso, il team ha ottenuto un polimero stabilizzato chimicamente tramite essiccazione, chiamato polySipmimTf2 N, che contiene silsesquiossani.
Infine, per creare le membrane, i ricercatori hanno rivestito la superficie esterna di tubi cavi di ossido di alluminio nanoporosi con una soluzione di metanolo e polySipmimTf2 N.
Sono stati poi condotti diversi esperimenti per analizzare le proprietà e le prestazioni di queste membrane nel metodo PV. Innanzitutto, attraverso test PV unari (ovvero, coinvolgendo un singolo composto organico anziché una miscela), i ricercatori hanno misurato la permeabilità di diversi alcoli, idrocarburi aromatici e alcani. Hanno anche esplorato il modo in cui i valori di permeabilità erano correlati ai parametri di solubilità Hansen (HSP) di ciascun composto e a quelli della membrana stessa.
Successivamente, hanno condotto test PV binari, in cui hanno separato toluene, metanolo e 1-esanolo da n-esano. Come spiega il Dr. Hirota, ciascuno di questi test affrontava una sfida particolare nella separazione dei liquidi organici:"La miscela toluene/n-esano era una miscela aromatica/alcana con differenze di volatilità e dimensione molecolare. D'altra parte, la miscela metanolo/n -la miscela di esano era una miscela azeotropica e quindi entrambi i componenti avevano punti di ebollizione uguali."
"Infine, è stata scelta la miscela 1-esanolo/n-esano perché sarebbe difficile da separare utilizzando membrane a setacciatura molecolare."
È interessante notare che le membrane hanno funzionato eccezionalmente bene durante la separazione del toluene da n -esano, ottenendo un rapporto di permeazione elevato pari a 11. Inoltre, le membrane erano altamente selettive durante la separazione dell'1-esanolo da n -esano. Come confermato dai dati delle analisi basate su HSP, le prestazioni di separazione delle membrane proposte erano strettamente correlate all'affinità tra il composto target e la membrana stessa. Ciò implica che gli ioni che formano il liquido ionico potrebbero essere sostituiti a seconda della miscela liquida organica target per ottenere una separazione efficiente.
Nel loro insieme, i risultati di questo studio evidenziano il potenziale delle membrane stabilizzate chimicamente a base di IL per la separazione per affinità di liquidi organici. Poiché un giorno il fotovoltaico potrebbe sostituire i processi di distillazione ad alta intensità energetica, questi risultati contribuiranno a rendere le industrie chimiche più sostenibili. Con un po' di fortuna, ciò dovrebbe aprire la strada alla neutralità delle emissioni di carbonio e, in ultima analisi, mitigare il riscaldamento globale.
Ulteriori informazioni: Yuichiro Hirota et al, Proprietà di pervaporazione della membrana di organosilice di derivazione liquida ionica sililata, Journal of Membrane Science (2023). DOI:10.1016/j.memsci.2023.122392
Fornito da Nagoya Institute of Technology
