Forskarna visade hur metoderna som används för att skapa deras membran möjliggör finjustering av avståndet mellan nanostrukturerna i det resulterande filtret. Kredit:University of Pennsylvania
Kemiska separationsprocesser är viktiga vid tillverkning av många produkter från bensin till whisky. Sådana processer är energiskt kostsamma och står för cirka 10–15 procent av den globala energiförbrukningen. I synnerhet är användningen av så kallade "termiska separationsprocesser", såsom destillation för att separera petroleumbaserade kolväten, djupt rotad i den kemiska industrin och har ett mycket stort tillhörande energifotavtryck. Membranbaserade separationsprocesser har potential att minska sådan energiförbrukning avsevärt.
Membranfiltreringsprocesser som separerar föroreningar från luften vi andas och vattnet vi dricker har blivit vanliga. Emellertid är membranteknologier för att separera kolväten och andra organiska material mycket mindre utvecklade.
Penn Engineers utvecklar nya membran för energieffektiva organiska separationer genom att ompröva deras fysiska struktur på nanoskala.
Nanofiltrering med självmonterande membran har varit ett stort forskningsområde för Chinedum Osuji, Eduardo D. Glandts presidentprofessor vid institutionen för kemi- och biomolekylär teknik och hans labb. Prestandan hos dessa membran framhävdes i en tidigare studie som beskrev hur strukturen av själva membranet hjälpte till att minimera den begränsande avvägningen mellan selektivitet och permeabilitet som påträffas i traditionella nanofiltreringsmembran. Denna teknik inkluderades också i förra årets Y-Prize-tävling, och vinnarna har lagt fram ett fall för dess användning för att producera alkoholfritt öl och vin i en startup som heter LiberTech.
Nu anpassar Osujis senaste studie membranet för filtrering i organiska lösningar som etanol och isopropylalkohol, och dess självmonterande molekyler gör det mer effektivt än traditionell nanofiltrering med organiskt lösningsmedel (OSN).
Studien, publicerad i Science Advances , beskriver hur de enhetliga porerna i detta membran kan finjusteras genom att ändra storleken eller koncentrationen av de självmonterande molekylerna som i slutändan bildar materialet. Denna inställning öppnar nu dörrar för användning av denna membranteknologi för att lösa mer olika verkliga problem med organisk filtrering. Forskare i Osuji-labbet, inklusive försteförfattare och tidigare postdoktor, Yizhou Zhang, postdoktor, Dahin Kim och doktorand, Ruiqi Dong, samt Xunda Feng från Donghua University, bidrog till detta arbete.
En utmaning som teamet stod inför var svårigheten att upprätthålla membranstabilitet i organiska lösningsmedel med olika polariteter. De valde molekylära arter, ytaktiva ämnen, som uppvisade låg löslighet i organiska vätskor, och som effektivt kunde kopplas samman kemiskt för att ge den nödvändiga stabiliteten. De ytaktiva ämnena självmonteras i vatten när de är över en viss koncentration och bildar en mjuk gel. Sådan självmontering – bildandet av ett ordnat tillstånd – som en funktion av koncentrationen kallas lyotropiskt beteende:"lyo-" hänvisar till lösning och "-tropic" hänvisar till ordning. Gelerna som sålunda bildas kallas lyotropa mesofaser.
Membranen som utvecklades i denna studie skapades genom att först bilda lyotropa mesofaser av det ytaktiva medlet i vatten, sprida den mjuka gelén som en tunn film och sedan använda en kemisk reaktion för att länka samman de ytaktiva medlen för att bilda en nanoporös polymer. Storleken på porerna i polymeren bestäms av den självmonterade strukturen hos den lyotropa mesofasen.
"Vid en viss koncentration i en vattenlösning aggregerar de ytaktiva molekylerna och bildar cylindriska stavar, och sedan kommer dessa stavar att självmontera till en hexagonal struktur, vilket ger ett gelliknande material", säger Osuji. "Ett av sätten vi kan manipulera permeabiliteten, eller storleken på porerna i våra membran, är genom att ändra koncentrationen och storleken på de ytaktiva molekylerna som används för att skapa själva membranet. I den här studien manipulerade vi båda dessa variabler för att justera våra porstorlekar från 1,2 nanometer ner till 0,6 nanometer."
Dessa membran är kompatibla med organiska lösningsmedel och kan skräddarsys för att hantera olika separationsutmaningar. Nanofiltrering av organiskt lösningsmedel kan minska fotavtrycket från traditionella termiska separationsprocesser. Den enhetliga porstorleken på membranen som utvecklas här ger övertygande fördelar när det gäller membranselektivitet och i slutändan även energieffektivitet.
"En specifik tillämpning för den här tekniken är inom biobränsleproduktion", säger Osuji. "Isoleringen av vattenblandbara alkoholer från bioreaktorer är ett nyckelsteg i tillverkningen av etanol- och butanolbiobränslen. Membranseparationer kan minska energin som används för att separera produktens alkoholer eller bränslen, från det vattenhaltiga mediet i reaktorn. Användningen av membran är särskilt fördelaktigt i mindre skala operationer som denna, där destillation inte är kostnadseffektiv."
"Dessutom involverar tillverkningen av många farmaceutiska produkter ofta flera steg av syntes i olika lösningsmedelsmiljöer. Dessa steg kräver överföring av en kemisk intermediär från ett lösningsmedel till ett annat blandbart lösningsmedel, vilket gör detta nya membran till en perfekt lösning för läkemedelsutvecklingsfiltreringsbehov. "
Nästa steg för deras forskning involverar både teori och praktik. Teamet planerar att utveckla nya modeller för membranavstötning och permeabilitet som adresserar det unika flödesmönstret för lösningar genom deras membran samt identifiera ytterligare framtida tillämpningar för deras avstämbara teknologi. + Utforska vidare
