Kemiska tillverkare förbrukar en enorm mängd energi varje år för att separera och förädla råvaror för att tillverka en mängd olika produkter, inklusive bensin, plast och mat.

I ett försök att minska mängden energi som används i kemiska separationer, forskare vid Georgia Institute of Technology arbetar med membran som kan separera kemikalier utan att använda energikrävande destillationsprocesser.

"De allra flesta separationerna ute på fältet i en mängd olika industrier är termiskt drivna system som destillation, och på grund av det spenderar vi oerhört mycket energi på dessa separationsprocesser - ungefär 10 till 15 procent av den globala energibudgeten går åt till kemiska separationer, "sa Ryan Lively, docent i Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering. "Separationer som undviker användning av värme och en kemisk fasförändring är mycket mindre energiintensiva. I praktiken, att använda dem kan ge en energikostnadsminskning med 90 procent. "

Plastmembran kan redan separera vissa molekyler baserat på storlek och andra skillnader, såsom vid avsaltning av havsvatten. Men tills nu, de flesta membran har inte kunnat motstå hårda lösningsmedelsrika kemiska strömmar samtidigt som de har utfört utmanande separationsuppgifter.

I en studie publicerad 18 juli i Materialkemi och sponsras av försvarsdepartementet och National Science Foundation, forskarna beskriver en process för att ta ett polymerbaserat membran och införa det med ett metalloxidnätverk. Det resulterande membranet är mycket mer effektivt för att klara hårda kemikalier utan att degraderas.

"Efter att ha placerat det prefabricerade membranet inuti vår reaktor, vi utsätter den helt enkelt för metallhaltiga ångor som infunderar sig inuti membranmaterialet, "sa Mark Losego, en biträdande professor vid School of Materials Science and Engineering. "Denna process kallas ångfasinfiltration, och det skapar ett enhetligt nätverk av metalloxid genom polymermembranet. Vi kallar det ett "hybridmembran". "

Inte nog med att hybridmembranet bättre tål lösningsmedel, dess kemiska separationsförmåga förbättrades också.

"Vissa kemikalier som måste separeras är väldigt lika när det gäller deras storlek, form och andra egenskaper, vilket gör dem ännu svårare att bearbeta med hjälp av membran, "Livligt sagt." Dessa nya hybridmembran är mycket mer selektiva. De kan separera kemikalier som är mer lika varandra. "

Forskargruppen, som inkluderade doktorander Fengyi Zhang, Emily McGuinness och Yao Ma, testat de nya hybridmembranen i hårda kemikalier som tetrahydrofuran, diklormetan och kloroform, organiska lösningsmedel som löser upp det rena polymermembranet på några minuter. Hybridmembranen förblev stabila i flera månader under testningen.

Forskarna testade också att separera två kemikalier mycket nära i storlek. Hybridmembranen kunde differentiera aromatiska molekyler som skilde sig i storlek med så lite som 0,2 nanometer.

"En av de mest spännande sakerna med detta arbete var hur enkel denna process är från ett tillverkningsperspektiv, "Sa Losego." Vi tar i princip färdiga membran och applicerar en behandling på dem. Det är något som skulle vara mycket enkelt att översätta till industriell skala. "

Framtida forskning om membranen kommer att innebära att man tittar på hur man finjusterar oxidinfusionerna och gör nya typer av hybridmembran som kan separera en mängd andra kemikalier.