Råntunna membran som är skräddarsydda för att separera specifika molekyler från vätskor kan förbättra effektiviteten vid oljeraffinering och läkemedelstillverkning.

Filtrera organiska lösningsmedel - kolbaserade vätskor, som oljor och alkoholer, som löser upp andra ämnen – är avgörande för petroleum, kemi- och läkemedelsföretag som konsekvent måste skapa den renaste produkten.

Traditionella extraktionstekniker, såsom destillation, använda stora mängder energi, och nya gröna alternativ, som membran, möta andra utmaningar. Till exempel, porösa material måste motstå ofta mycket reaktiva lösningsmedel samtidigt som de filtrerar bort målmolekyler av en viss storlek och form. Vissa mycket effektiva membran finns tillgängliga för att separera salt från vatten vid avsaltning av havsvatten, men de är inte lika effektiva för att separera mindre, mycket lika molekyler i organiska lösningsmedel.

Ett team ledd av KAUST-forskare har skapat ett ultratunt poröst membran med hjälp av noggrant tillverkade molekylära byggstenar, känd som trianglaminer. "Du kan föreställa dig det som LEGO, " förklarar Suzana Nunes, professor i kemi- och miljövetenskap och teknik, "där du tar förformade ihåliga trianglar och sätter ihop dem i en platt film." Genom att först definiera porstorleken och den elektriska laddningen för dessa triangulära molekyler, de fortsatte med att skapa ett membran som kunde separera molekyler av olika storlekar och former.

Membrantjockleken är också avgörande för filtreringseffektiviteten. "För snabbare filtrering, filmen måste vara så tunn som möjligt för att undvika onödigt motstånd mot lösningsmedlet som passerar igenom, " säger Nunes. För att uppnå detta, de separerade de två huvudingredienserna (tereftaloylklorid och de förformade trianglaminerna) i två olika vätskor som inte blandas (olja och vatten, respektive), tvingade reaktionen att endast ske vid gränsytan där vätskorna möttes." Vi fann att detta bildade ett extremt tunt lager på några nanometer, " säger Tiefan Huang, huvudförfattaren, "mycket tunnare än vanliga kommersiella membran framställda på detta sätt." Varje film var mellan 3,5 och 10 nanometer, beroende på hur länge reaktionen fortsatte.

Teamet testade sina membran på färgade färgämnen med liknande men ändå distinkta molekylstorlekar. Alla deras membran filtrerade bort minst 90 procent av färgmolekylerna som vägde mer än 450 gram per mol, långt bättre än några av de andra membranen de testade. "Membranens prestanda försämrades inte efter 48 timmars kontinuerlig filtrering, ", tillägger Huang. Och de tålde till och med exponering för hårdare ämnen, inklusive aceton och metanol.

"Molekylär rening för läkemedel kan involvera många steg, " förklarar Nunes. "Mer selektiva och robusta membran som våra kan förenkla processen, gör det mer kostnadseffektivt. Maskinerna vi använde används redan i stor utsträckning inom membranindustrin, " tillägger hon, "så att det enkelt kan skalas upp för tillverkning."

Membranen i denna studie skräddarsyddes specifikt för molekyler på cirka 400 gram per mol. "Vi kommer härnäst att arbeta med en portfölj av byggstenar så att vi kan göra membran för att välja molekyler av många olika former och storlekar, säger Nunes, "och i slutändan bidra till att göra separation av organiskt lösningsmedel mer hållbar."