Industrin har länge förlitat sig på energikrävande processer, såsom destillation och kristallisering, för att separera molekyler som i slutändan fungerar som ingredienser i medicin, kemikalier och andra produkter.
Under de senaste decennierna har det skett en push för att ersätta dessa processer med membran, som potentiellt är ett billigare och miljövänligt alternativ. Tyvärr är de flesta membran tillverkade av polymerer som bryts ned under användning, vilket gör dem opraktiska.
För att lösa detta problem har en forskargrupp ledd av universitetet vid Buffalo skapat ett nytt, robustare membran som tål tuffa miljöer – höga temperaturer, högt tryck och komplexa kemiska lösningsmedel – i samband med industriella separationsprocesser.
Tillverkad av ett oorganiskt material som kallas koldopad metalloxid, beskrivs det i en studie publicerad 7 september i Science .
"Processerna för att separera molekyler - oavsett om det är för avsaltning av vatten, produktion av medicin eller gödningsmedel - använder en otrolig mängd energi", säger studiens motsvarande författare, Miao Yu, Ph.D., SUNY Empire Innovation Professor vid Institutionen för kemiska ämnen och biologisk teknik vid universitetet vid Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.
"Vad vi har utvecklat är en teknik för att enkelt tillverka defektfria, starka membran som har stela nanoporer som kan kontrolleras exakt för att tillåta molekyler av olika storlekar att passera igenom", tillägger Yu, en kärnfakultetsmedlem i UB RENEW Institute.
Studiens första författare är Bratin Sengupta, Ph.D. student i Yus labb och Qiaobei Dong, Ph.D., som studerade under Yu och nu arbetar på GTI Energy.
För att skapa membranet tog forskargruppen inspiration från två vanliga, men orelaterade, tillverkningstekniker.
Den första är molekylär skiktavsättning, som involverar skiktning av tunna filmer av material och är oftast förknippad med halvledarproduktion. Den andra tekniken är gränssnittspolymerisation, som är en metod för att kombinera kemikalier som vanligtvis används för att skapa bränsleceller, kemiska sensorer och annan elektronik.
"Dessa metoder är inte nya", säger Sengupta, "hur sättet vi än tillämpar dem på är, och det är nyckeln till att skapa våra nya nanoporösa membran."
I experiment slog forskare samman två lågkostnadsreaktanter - flytande etylenglykol och gasformig titantetraklorid - på ett aluminiumbaserat underlag. Inom några minuter skapade reaktionen en tunn film.
För att skapa nanoporerna applicerade de värme på filmen. Värmen bränner av kol och skapar små, mikroskopiska hål för molekyler att passera genom. Storleken på nanoporerna kan vara allt från 0,6 till 1,2 nanometer i diameter – vilket bestäms av miljön för kalcineringsgasen, såväl som mängden och varaktigheten av värme.
Metoden gör det möjligt för forskare att undvika ett tjatande problem – små hål som smälter samman till större, vilket gör dem mer porösa än tänkt – genom att skapa polymerbaserade membran.
Det nya membranet tål temperaturer upp till 284°F (140°C) och tryck upp till 30 atmosfärer när det utsätts för organiska lösningsmedel. Dessa attribut är viktiga eftersom de tillåter membranet att separera molekyler vid höga temperaturer (för att de flesta polymermembran ska fungera måste temperaturen på lösningsmedlen sänkas, vilket är kostsamt ur energisynpunkt).
"Ur denna synvinkel har vårt membran potential att minska koldioxidavtrycket från många industriella processer", säger Yu.
För att visa membranets effektivitet visade teamet att det kunde separera boscalid, en fungicid som används för att skydda grödor, från dess katalysator och startreagens. Hela processen skedde vid 194°F.
Teamet planerar ytterligare experiment för att bevisa att membranet kan skalas upp för kommersiella produkter. Dessutom planerar Yu att starta ett företag för att främja teknologins kommersiella livskraft.
Mer information: Bratin Sengupta et al, Koldopade metalloxidgränssnittsnanofilmer för ultrasnabb och exakt separation av molekyler, Science (2023). DOI:10.1126/science.adh2404
Journalinformation: Vetenskap
Tillhandahålls av University at Buffalo
