Vezan za deponiju, poljoprivredni otpad sadrži izvore ugljenika koji se mogu koristiti za proizvodnju jedinjenja visoke vrednosti, kao što je p-kumarinska kiselina, koja se koristi u proizvodnji lekova. Elektrodejonizacija, metoda razdvajanja koja koristi membrane za izmjenu jona, jedan je od načina za hvatanje kiselina i drugih korisnih komponenti. Međutim, da bi se uhvatile velike količine u obimu, moraju se poboljšati metode.
Istraživački tim predvođen Penn State-om izumeo je novu klasu jonoizmenjivačkih membranskih vafer sklopova koji značajno poboljšavaju sposobnost elektrodeionizacije da uhvati p-kumarinsku kiselinu iz tečnih smeša uz korišćenje manje energije i uštedu novca. Istraživači su objavili svoje rezultate u ACS Sustainable Chemical Engineering. Njihov članak je takođe izabran za naslovnicu časopisa 23. januara.
Prvi put komercijalizovan za prečišćavanje vode, elektrodejonizacija je korišćena za hvatanje vrednih komponenti iz otpadnih tokova poslednjih godina. U tom procesu, struja tečne smeše se dovodi kroz gomile od nekoliko membrana za jonoizmenjivačke i smolene pločice, koje podsećaju na sunđer i drže se zajedno sa polimernim lepkom. Kada se primeni električna energija, joni u tečnosti se kreću kroz dimnjak, a p-kumarinska kiselina se odvaja u koncentrovani procesni tok, gde se zatim može sakupljati.
„Da bismo poboljšali proces, morali smo da poboljšamo pločicu od smole“, rekao je odgovarajući autor Chris Arges, vanredni profesor hemijskog inženjerstva u Penn State. „Ranije su membrane spajale sunđer smole sa polietilenskim lepkom, koji se trenutno koristi u industriji kao smolni ‘lepak’, ali je to dovelo do lošeg kontakta između membrane i smole. Polietilen smo zamenili imidazolijum jonomerom, tipa polimera, i zalepila imidazolijumsku membranu na vrh smolne pločice.“
Lepljenjem membrane na pločicu, istraživači su smanjili količinu potrebne membrane za 30%, smanjujući cenu jedinice za elektrodeionizaciju. Novi dizajn je takođe smanjio međufaznu otpornost između membrane i pločice, pošto su iste hemije membrane i veziva zalepljene zajedno umesto da se nalaze na vrhu i ispod sunđera sa vazdušnim prazninama. Smanjenje otpora dovelo je do povećane stope hvatanja p-kumarinske kiseline, omogućavajući istraživačima da koriste manju jedinicu.
„Znali smo da novi materijal hvata više p-kumarinske kiseline, ali nismo bili sigurni zašto“, rekao je Arges. „Naš saradnik Revati Kumar je vodio simulacije kako bi otkrio zašto je bolje funkcionisalo.
Kumar, vanredni profesor hemije na Državnom univerzitetu Luizijane, otkrio je da imidazolijum povećava rastvorljivost p-kumarinske kiseline i podstiče bržu difuziju unutar materijala.
„Pomnoženo zajedno, rastvorljivost i difuzija jednake su propustljivosti, ili koliko brzo uklanjamo kiselinu dok putuje kroz mrežu membranske smole u odeljku za koncentrat“, rekao je Arges.
Arges je uporedio propustljivost sa stopom putnika koji prolaze kroz bezbednosnu liniju aerodroma. Kako se dodaje više bezbednosnih kontrolnih tačaka, više ljudi može da se kreće kroz liniju, povećavajući propusnost linije.
Povećana permeabilnost, stoga, smanjuje šanse da se p-kumarinska kiselina veže za materijale ploča od membranske smole, poznate kao zarastanje, umesto da se kreće preko membrane.
„Sklop imidazolijumske membranske smole podstiče protok p-kumarinske kiseline kroz membranu, što je problem kada se koriste drugi materijali, poput polietilena“, rekao je Arges.
Kada se uporedi sa trenutnom konfiguracijom pločice od smole, nova konfiguracija membrane i materijali rezultiraju sedmostrukim povećanjem hvatanja p-kurmarne kiseline uz korišćenje 70% manje energije, prema istraživačima. Novi sklopovi takođe smanjuju količinu membrane koja se koristi u procesu, što rezultira značajnim uštedama troškova.
Argesovi saradnici u Nacionalnoj laboratoriji Argonne podneli su zahtev za patent za novu tehnologiju montaže membranskih ploča.
Pored Argesa i Kumara, koautori su Matthev Jordan, Hishara Keshani Gallage Dona i Dodangodage Ishara Senadheera, Louisiana State Universiti; i Grzegorz Kokoszka i Iupo J. Lin, Nacionalna laboratorija Argonne.
