L'industria si affida da tempo a processi ad alto consumo energetico, come la distillazione e la cristallizzazione, per separare le molecole che alla fine servono come ingredienti in medicinali, prodotti chimici e altri prodotti.
Negli ultimi decenni si è cercato di sostituire questi processi con le membrane, che rappresentano potenzialmente un’alternativa più economica ed ecologica. Sfortunatamente, la maggior parte delle membrane sono realizzate con polimeri che si degradano durante l'uso, rendendole poco pratiche.
Per risolvere questo problema, un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Buffalo ha creato una nuova membrana più robusta in grado di resistere agli ambienti difficili (alte temperature, alta pressione e solventi chimici complessi) associati ai processi di separazione industriale.
Realizzato con un materiale inorganico chiamato ossido di metallo drogato con carbonio, viene descritto in uno studio pubblicato il 7 settembre su Science .
"I processi di separazione delle molecole, sia per la desalinizzazione dell'acqua, sia per la produzione di medicinali o fertilizzanti, utilizzano un'incredibile quantità di energia", afferma l'autore corrispondente dello studio, Miao Yu, Ph.D., professore di innovazione SUNY Empire presso il Dipartimento di Chimica. e ingegneria biologica presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate dell'Università di Buffalo.
"Ciò che abbiamo sviluppato è una tecnica per fabbricare facilmente membrane resistenti e prive di difetti, dotate di nanopori rigidi che possono essere controllati con precisione per consentire il passaggio di molecole di diverse dimensioni", aggiunge Yu, membro della facoltà principale dell'UB RENEW Institute.
I primi autori dello studio sono Bratin Sengupta, un Ph.D. studente nel laboratorio di Yu e Qiaobei Dong, Ph.D., che ha studiato con Yu e ora lavora presso GTI Energy.
Per creare la membrana, il team di ricerca si è ispirato a due tecniche di produzione comuni, ma non correlate.
Il primo è la deposizione di strati molecolari, che comporta la stratificazione di film sottili di materiali ed è spesso associata alla produzione di semiconduttori. La seconda tecnica è la polimerizzazione interfacciale, un metodo di combinazione di sostanze chimiche comunemente utilizzato per creare celle a combustibile, sensori chimici e altri componenti elettronici.
"Questi metodi non sono nuovi", afferma Sengupta, "tuttavia lo è il modo in cui li applichiamo, e questa è la chiave per creare le nostre nuove membrane nanoporose."
Negli esperimenti, i ricercatori hanno unito due reagenti a basso costo – glicole etilenico liquido e tetracloruro di titanio gassoso – su un supporto a base di alluminio. In pochi minuti, la reazione ha creato una pellicola sottile.
Per creare i nanopori, hanno applicato calore alla pellicola. Il calore brucia il carbonio, creando minuscoli fori microscopici attraverso i quali le molecole possono passare. La dimensione dei nanopori può variare da 0,6 a 1,2 nanometri di diametro, come determinato dall'ambiente del gas di calcinazione, nonché dalla quantità e dalla durata del calore.
Il metodo consente ai ricercatori di evitare un problema fastidioso (piccoli fori che si fondono in altri più grandi, rendendoli così più porosi del previsto) con la creazione di membrane a base polimerica.
La nuova membrana può resistere a temperature fino a 140 °C (284 °F) e pressioni fino a 30 atmosfere se esposta a solventi organici. Questi attributi sono fondamentali perché consentono alla membrana di separare le molecole ad alte temperature (perché la maggior parte delle membrane polimeriche funzioni, la temperatura dei solventi deve essere abbassata, il che è costoso dal punto di vista energetico).
"Da questo punto di vista, la nostra membrana ha il potenziale di ridurre l'impronta di carbonio di molti processi industriali", afferma Yu.
Per dimostrare l'efficacia della membrana, il team ha dimostrato che è in grado di separare il boscalid, un fungicida utilizzato per proteggere le colture, dal suo catalizzatore e reagente di partenza. L'intero processo è avvenuto a 194°F.
Il team sta pianificando ulteriori esperimenti per dimostrare che la membrana può essere ampliata per prodotti commerciali. Inoltre, Yu prevede di avviare un'azienda per promuovere la fattibilità commerciale della tecnologia.
Ulteriori informazioni: Bratin Sengupta et al, Nanofilm interfacciali di ossidi metallici drogati con carbonio per la separazione ultraveloce e precisa delle molecole, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adh2404
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dall'Università di Buffalo
