Kredit:King Abdullah University of Science and Technology
Ett robust nanofiltreringsmembran som fungerar som en mycket effektiv molekylsikt kan undvika många av problemen med nuvarande polymermembran.
Filtrering spelar en avgörande roll i många industrier, allt från vattenrening till läkemedelsproduktion. Nanofiltrering av organiska lösningsmedel använder till exempel membran med små porer för att avlägsna molekyler som är lösta i organiska (kolbaserade) lösningsmedel.
Nanofiltrering är mer energieffektiv än alternativa separationsmetoder som destillation. Men för att motstå påfrestningarna vid industriell användning måste nanofiltreringsmembranen vara stabila mot starka lösningsmedel, syror och baser.
"Tyvärr uppvisar majoriteten av polymerbaserade membran dålig kemisk stabilitet", säger postdoc Rifan Hardian. Dessa membran behöver vanligtvis ytterligare kemiska tvärbindare för att förbättra deras stabilitet, vilket komplicerar deras tillverkning. Många membran, när de sväller och åldras, tenderar också att förlora sin prestanda och de kan till och med bryta ner för att frigöra spår av föroreningar.
Hardian och hans KAUST-kollegor Mahmoud A. Abdulhamid och Gyorgy Szekely har nu övervunnit dessa nackdelar genom att skapa en ny typ av kolmolekylär sikt (CMS)-membran som inte kräver ytterligare tvärbindare.
Membranet är baserat på en polymer som kallas 6FDA-DMN, som kan formas till ett platt, poröst membran med god termisk stabilitet. Att baka polymermembranet vid 400–600 grader Celsius i flera timmar brände gradvis bort några av dess kemiska grupper för att lämna ett segt membran helt av kol. Elektronmikroskopbilder visade att vid de högsta temperaturerna krympte denna förkolningsprocess också membranets porer avsevärt.
Efter att ha finjusterat de förhållanden som användes för att göra CMS-membranet testade forskarna dess filtreringsförmåga med hjälp av lösningar som innehåller molekyler med olika storlekar. Profilen av molekyler som kvarhålls av membranet, jämfört med de som passerade genom dess porer, avslöjade hur effektivt membranet var för att sikta olika molekyler.
Membranen som preparerades vid 600 grader Celsius fungerade bäst och höll tillbaka de flesta av de minsta molekylerna samtidigt som lösningsmedelsmolekylerna kunde strömma igenom. Teamet fann också att den porösa strukturen hos den ursprungliga polymeren var nyckeln till att producera ett CMS-membran med hög lösningsmedelspermeans.
"En kombination av hög avstötning av små molekyler och hög lösningsmedelspermeans indikerar en bättre membranprestanda", förklarar Hardian. "Membranen uppvisade också exceptionell stabilitet i olika organiska lösningsmedel, inklusive syra och bas, under en lång period."
Forskarna arbetar nu med att förbättra membranets permeans och planerar att införliva olika nanomaterial i membranet för att kontrollera dess egenskaper.
Forskningen publicerades i Applied Materials Today . + Utforska vidare
