I ricercatori hanno dimostrato come i metodi utilizzati per creare le loro membrane consentano di mettere a punto la spaziatura delle nanostrutture all'interno del filtro risultante. Credito:Università della Pennsylvania
I processi di separazione chimica sono essenziali nella produzione di molti prodotti, dalla benzina al whisky. Tali processi sono energeticamente costosi e rappresentano circa il 10-15% del consumo energetico globale. In particolare, l'uso dei cosiddetti "processi di separazione termica", come la distillazione per separare gli idrocarburi derivati dal petrolio, è profondamente radicato nell'industria chimica e ha un'impronta energetica associata molto ampia. I processi di separazione basati su membrane hanno il potenziale per ridurre significativamente tale consumo di energia.
I processi di filtrazione a membrana che separano i contaminanti dall'aria che respiriamo e dall'acqua che beviamo sono diventati comuni. Tuttavia, le tecnologie a membrana per la separazione di idrocarburi e altri materiali organici sono molto meno sviluppate.
Gli ingegneri Penn stanno sviluppando nuove membrane per separazioni organiche efficienti dal punto di vista energetico, ripensando la loro struttura fisica su scala nanometrica.
La nanofiltrazione che utilizza membrane autoassemblanti è stata un'importante area di ricerca per Chinedum Osuji, Eduardo D. Glandt Professore Presidenziale presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica e Biomolecolare e il suo laboratorio. Le prestazioni di queste membrane sono state evidenziate in uno studio precedente che descriveva come la struttura della membrana stessa ha contribuito a ridurre al minimo il compromesso limitante tra selettività e permeabilità che si incontra nelle tradizionali membrane di nanofiltrazione. Questa tecnologia è stata inclusa anche nel concorso Y-Prize dell'anno scorso e i vincitori hanno avanzato un caso per il suo utilizzo per produrre birra e vino analcolici in una startup chiamata LiberTech.
Ora, l'ultimo studio di Osuji adatta la membrana per la filtrazione in soluzioni organiche come etanolo e alcol isopropilico e le sue molecole autoassemblanti la rendono più efficiente della tradizionale nanofiltrazione di solventi organici (OSN).
Lo studio, pubblicato su Science Advances , descrive come i pori uniformi di questa membrana possono essere regolati con precisione modificando le dimensioni o la concentrazione delle molecole autoassemblanti che alla fine formano il materiale. Questa sintonizzabilità ora apre le porte all'uso di questa tecnologia a membrana per risolvere problemi di filtrazione organica più diversi nel mondo reale. I ricercatori del laboratorio Osuji, tra cui il primo autore ed ex ricercatore post-dottorato, Yizhou Zhang, il ricercatore post-dottorato, Dahin Kim e lo studente laureato, Ruiqi Dong, nonché Xunda Feng dell'Università di Donghua, hanno contribuito a questo lavoro.
Una delle sfide che il team ha dovuto affrontare è stata la difficoltà di mantenere la stabilità della membrana in solventi organici con diverse polarità. Hanno selezionato specie molecolari, tensioattivi, che mostravano una bassa solubilità nei fluidi organici e che potevano essere efficacemente collegate chimicamente tra loro per fornire la stabilità richiesta. I tensioattivi si autoassemblano in acqua quando sono al di sopra di una certa concentrazione e formano un gel morbido. Tale autoassemblaggio - la formazione di uno stato ordinato - in funzione della concentrazione è indicato come comportamento liotropico:"lyo-" riferito alla soluzione e "-tropico" riferito all'ordine. I gel così formati sono detti mesofasi liotropiche.
Le membrane sviluppate in questo studio sono state create formando prima mesofasi liotropiche del tensioattivo in acqua, diffondendo il gel morbido come una pellicola sottile e quindi utilizzando una reazione chimica per collegare i tensioattivi insieme per formare un polimero nanoporoso. La dimensione dei pori nel polimero è determinata dalla struttura autoassemblata della mesofase liotropica.
"A una certa concentrazione in una soluzione acquosa, le molecole di tensioattivo si aggregano e formano barre cilindriche, che poi si autoassemblano in una struttura esagonale, producendo un materiale simile al gel", afferma Osuji. "Uno dei modi in cui possiamo manipolare la permeabilità, o la dimensione dei pori nelle nostre membrane, è modificare la concentrazione e la dimensione delle molecole di tensioattivo utilizzate per creare la membrana stessa. In questo studio, abbiamo manipolato entrambe queste variabili per ottimizzare le nostre dimensioni dei pori da 1,2 nanometri fino a 0,6 nanometri."
Queste membrane sono compatibili con i solventi organici e possono essere adattate per affrontare diverse sfide di separazione. La nanofiltrazione di solventi organici può ridurre l'impronta dei tradizionali processi di separazione termica. La dimensione uniforme dei pori delle membrane qui sviluppate offre vantaggi convincenti in termini di selettività della membrana e, in definitiva, anche di efficienza energetica.
"Un'applicazione specifica per questa tecnologia è nella produzione di biocarburanti", afferma Osuji. "L'isolamento degli alcoli miscibili in acqua dai bioreattori è un passaggio chiave nella produzione di biocarburanti etanolo e butanolo. Le separazioni delle membrane possono ridurre l'energia utilizzata nella separazione degli alcoli o combustibili prodotti dal mezzo acquoso nel reattore. L'uso di membrane è particolarmente vantaggioso in operazioni su scala ridotta come questa, dove la distillazione non è conveniente."
"Inoltre, la produzione di molti prodotti farmaceutici spesso comporta diverse fasi di sintesi in diversi ambienti di solventi. Tali fasi richiedono il trasferimento di un intermedio chimico da un solvente a un altro solvente miscibile, rendendo questa nuova membrana una soluzione perfetta per le esigenze di filtrazione dello sviluppo di farmaci. "
I prossimi passi per la loro ricerca coinvolgono sia la teoria che la pratica. Il team prevede di sviluppare nuovi modelli per il rigetto e la permeabilità della membrana che affrontino il modello di flusso unico delle soluzioni attraverso le loro membrane e per identificare ulteriori applicazioni future per la loro tecnologia sintonizzabile. + Esplora ulteriormente
