Hacer que la separación química sea más respetuosa con el medio ambiente con nanomembranas autoensambladas

Hacer que la separación química sea más respetuosa con el medio ambiente con nanomembranas autoensambladas


30 de abril de 2022

(Noticias de Nanowerk) Los procesos de separación química son esenciales en la fabricación de muchos productos, desde gasolina hasta whisky. Dichos procesos son energéticamente costosos y representan alrededor del 10-15 por ciento del consumo mundial de energía.

En particular, el uso de los llamados «procesos de separación térmica», como la destilación para separar los hidrocarburos derivados del petróleo, está muy arraigado en la industria química y se asocia a una huella energética muy grande. Los procesos de separación basados ​​en membranas tienen el potencial de reducir significativamente este consumo de energía.

Los procesos de filtración por membrana que eliminan los contaminantes del aire que respiramos y del agua que bebemos se han vuelto comunes. Sin embargo, las tecnologías de membranas para separar hidrocarburos y otros materiales orgánicos están mucho menos desarrolladas.

Los ingenieros de Penn están desarrollando nuevas membranas para separaciones orgánicas energéticamente eficientes al repensar su estructura física a nanoescala.

Las membranas nanoestructuradas se pueden utilizar en aplicaciones de filtración (por ejemplo, purificación de agua). Las membranas nanoestructuradas proporcionan una separación altamente selectiva sin comprometer la permeabilidad.

La nanofiltración de membrana autoensamblada ha sido un área importante de investigación para Chinedum Osuji, profesor presidencial Eduardo D. Glandt en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, y su laboratorio. El rendimiento de estas membranas se destacó en un estudio anterior (ACS nano«Fabricación rápida mediante autoensamblaje liotrópico de membranas de nanofiltración delgadas con poros uniformes de 1 nanómetro»), que describe cómo la estructura de la membrana en sí ha ayudado a minimizar el compromiso limitante entre selectividad y permeabilidad que ocurre con las membranas de nanofiltración tradicionales.

Esta tecnología también se incluyó en la competencia Y-Prize del año pasado, y los ganadores defendieron su uso para hacer cerveza y vino sin alcohol en una empresa nueva llamada LiberTech.

Ahora, el último estudio de Osuji adapta la membrana para la filtración de disolventes orgánicos como el etanol y el alcohol isopropílico, y sus moléculas autoensamblables la hacen más eficiente que la nanofiltración de disolventes orgánicos (OSN) tradicional. Las membranas permiten un ajuste fino del espaciado de las nanoestructuras dentro del filtro Los investigadores demostraron cómo los métodos utilizados para fabricar sus membranas permiten un ajuste fino del espaciado de las nanoestructuras dentro del filtro resultante.

El estudio, publicado en avances científicos («Nanofiltración de solventes orgánicos sintonizables en membranas autoensambladas a escala sub-1 nm»), describe cómo los poros uniformes de esta membrana pueden ajustarse alterando el tamaño o la concentración de las moléculas autoensambladas que finalmente se forman en el material.

Esta capacidad de ajuste ahora abre puertas para el uso de esta tecnología de membrana para resolver una amplia gama de problemas de filtración orgánica del mundo real. Investigadores del laboratorio de Osuji, incluido el primer autor y ex postdoctorado Yizhou Zhang, el postdoctorado Dahin Kim y el estudiante de doctorado Ruiqi Dong y Xunda Feng de la Universidad de Donghua contribuyeron a este trabajo.

Un desafío para el equipo fue la dificultad de mantener la estabilidad de la membrana en solventes orgánicos con diferentes polaridades. Seleccionaron especies moleculares, tensioactivos, que tenían una baja solubilidad en líquidos orgánicos y que podían unirse químicamente de forma eficaz para proporcionar la estabilidad requerida.

Por encima de una determinada concentración, los tensioactivos se disponen en agua y forman un gel blando. Este autoensamblaje (la formación de un estado ordenado) en función de la concentración se denomina comportamiento liotrópico: «lio-» se refiere a la solución y «-trópico» al orden. Los geles así formados se denominan mesofases liotrópicas.

Las membranas desarrolladas en este estudio se fabricaron primero formando mesofases liotrópicas del tensioactivo en agua, extendiendo el gel suave como una película delgada y luego usando una reacción química para unir los tensioactivos y formar un polímero nanoporoso. El tamaño de los poros en el polímero está determinado por la estructura autoensamblada de la mesofase liotrópica.

«A una cierta concentración en una solución acuosa, las moléculas de surfactante se agregan y forman varillas cilíndricas, y estas varillas luego se autoensamblan en una estructura hexagonal, produciendo un material similar a un gel», dice Osuji. “Una de las formas en que podemos manipular la permeabilidad o el tamaño de los poros en nuestras membranas es cambiando la concentración y el tamaño de las moléculas de surfactante utilizadas para fabricar la membrana misma. En este estudio, manipulamos estas dos variables para ajustar el tamaño de nuestros poros de 1,2 nanómetros a 0,6 nanómetros”.

Estas membranas son compatibles con disolventes orgánicos y se pueden adaptar a diferentes tareas de separación. La nanofiltración de solventes orgánicos puede reducir la huella de los procesos tradicionales de separación térmica. El tamaño de poro uniforme de las membranas desarrolladas aquí ofrece ventajas convincentes en términos de selectividad de membrana y, en última instancia, también de eficiencia energética.

«Una aplicación específica de esta tecnología es la producción de biocombustibles», dice Osuji. “Aislar alcoholes miscibles en agua de los biorreactores es un paso importante en la producción de biocombustibles de etanol y butanol. Las separaciones por membrana pueden reducir la energía utilizada para separar los alcoholes o combustibles del medio acuoso en el reactor. El uso de membranas es particularmente beneficioso en operaciones más pequeñas como esta, donde la destilación no es rentable”.

“Además, la fabricación de muchos productos farmacéuticos a menudo involucra múltiples pasos sintéticos en diferentes entornos de solventes. Estos pasos requieren la transferencia de un intermedio químico de un solvente a otro solvente miscible, lo que convierte a esta nueva membrana en una solución perfecta para las necesidades de filtración en el desarrollo de fármacos”.

Los próximos pasos de su investigación involucran tanto la teoría como la práctica. El equipo planea desarrollar nuevos modelos de permeabilidad y rechazo de membranas que tengan en cuenta el patrón de flujo único de las soluciones a través de sus membranas, así como identificar aplicaciones futuras adicionales para su tecnología ajustable.



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