I många kemiska industrier, såsom läkemedel, oljeraffinaderier och livsmedels- och dryckesfabriker, är separering av organiska flytande blandningar ett viktigt steg. En stapelmetod för att uppnå detta är destillation, vilket innebär att en blandning värms upp till en specifik temperatur så att endast en av dess komponenter förångas.
Även om den används i stor utsträckning, misslyckas destillation med att separera organiska flytande blandningar där båda komponenterna har samma kokpunkt. Dessutom är det en energi- och resurskrävande process som har motiverat forskare att leta efter mer hållbara alternativ.
Under de senaste åren har membranbaserade separationstekniker stadigt vunnit dragkraft eftersom de kan vara mer energieffektiva och erbjuda bättre selektivitet än konventionella metoder. Även om det finns många typer av separationsmembran, används membran framställda av joniska vätskor (IL) sällan för att separera organiska vätskeblandningar, främst på grund av problem med stabilitet och en dålig förståelse av deras egenskaper.
För att komma till rätta med dessa begränsningar satte ett forskarlag från Japan sig för att undersöka prestandan och mekanismerna hos en ny typ av IL-baserat organosilikamembran för organisk vätskeseparation. I teamet ingick docent Yuichiro Hirota från Nagoya Institute of Technology, Dr. Ayumi Ikeda från National Institute of Advanced Industrial Science and Technology och docent Sadao Araki från Kansai University.
Deras studie publicerades i Journal of Membrane Science .
Separationstekniken forskarna använde kallas pervaporation (PV). "PV-metoden behandlar den partiella förångningen av en vätskeblandning genom ett membran vars nedströms sida är under vakuum, vilket hjälper till att uppnå en högre permeabilitet", förklarar Dr. Hirota. Baserat på tidigare resultat med användning av IL-baserade membran för att separera organiska ångor, förväntade teamet att PV skulle vara lämpligt för att separera blandningar av organiska vätskor.
Först producerade forskarna en IL av imidazoliumtyp genom att ersätta kloridjonerna i 1-metyl-3-(1-trietoxisilylpropyl)imidazoliumklorid (SipmimCl) med bis(trifluormetylsulfonyl)imidjoner (Tf2 N − ) för att få SipmimTf2 N. Efter tvätt SipmimTf2 N med vatten och tillät den viskösa produkten att dekantera, fick teamet en kemiskt stabiliserad polymer via torkning, kallad polySimmimTf2 N, som innehåller silsesquioxaner.
Slutligen, för att skapa membranen, belade forskarna den yttre ytan av ihåliga nanoporösa aluminiumoxidrör med en lösning av metanol och polySimmimTf2 N.
Flera experiment genomfördes sedan för att analysera egenskaperna och prestandan hos dessa membran i PV-metoden. Först, genom unära PV-tester (det vill säga involverar en enda organisk förening snarare än en blandning), mätte forskarna permeabiliteten för olika alkoholer, aromatiska kolväten och alkaner. De undersökte också hur permeabilitetsvärdena var relaterade till varje förenings Hansen-löslighetsparametrar (HSP) och de för själva membranet.
Efteråt genomförde de binära PV-tester, där de separerade toluen, metanol och 1-hexanol från n-hexan. Som Dr Hirota förklarar, var och en av dessa tester inriktade på en speciell utmaning i organisk vätskeseparation, "Toluen/n-hexanblandningen var en aromatisk/alkanblandning med skillnader i flyktighet och molekylstorlek. Å andra sidan, metanol/n -hexanblandningen var en azeotrop blandning, och därför hade båda komponenterna lika kokpunkter."
"Slutligen valdes blandningen 1-hexanol/n-hexan eftersom det skulle vara svårt att separera med hjälp av molekylsiktsmembran."
Intressant nog fungerade membranen exceptionellt bra när toluen separerades från n -hexan, vilket uppnådde ett högt permeansförhållande på 11. Dessutom var membranen mycket selektiva när 1-hexanol separerades från n -hexan. Som data från de HSP-baserade analyserna bekräftade, var separationsprestandan för de föreslagna membranen nära relaterad till affiniteten mellan målföreningen och själva membranet. Detta innebär att jonerna som bildar den joniska vätskan kan ersättas beroende på målblandningen av den organiska vätskeblandningen för att uppnå effektiv separation.
Sammantaget belyser resultaten av denna studie potentialen hos IL-baserade kemiskt stabiliserade membran för affinitetsbaserad separation av organiska vätskor. Eftersom PV en dag kan ersätta energiintensiva destillationsprocesser kommer dessa fynd att bidra till mer hållbara kemiska industrier. Med lite tur borde detta bana väg för koldioxidneutralitet och i slutändan dämpa den globala uppvärmningen.
Mer information: Yuichiro Hirota et al, Pervaporationsegenskaper hos silylerade joniska vätskehärledda organosilikamembran, Journal of Membrane Science (2023). DOI:10.1016/j.memsci.2023.122392
Tillhandahålls av Nagoya Institute of Technology
