Industrija se dugo oslanjala na energetski intenzivne procese, kao što su destilacija i kristalizacija, za razdvajanje molekula koji na kraju služe kao sastojci u medicini, hemikalijama i drugim proizvodima.
Poslednjih decenija došlo je do pokušaja da se ovi procesi zamene membranama, koje su potencijalno jeftinija i ekološki prihvatljiva alternativa. Nažalost, većina membrana je napravljena od polimera koji se razgrađuju tokom upotrebe, što ih čini nepraktičnim.
Da bi rešio ovaj problem, istraživački tim Univerziteta u Buffalu kreirao je novu, čvršću membranu koja može da izdrži teška okruženja — visoke temperature, visok pritisak i složene hemijske rastvarače — povezane sa procesima industrijskog odvajanja.
Napravljen od neorganskog materijala zvanog metalni oksid dopiran ugljenikom, opisan je u studiji objavljenoj 7. septembra u časopisu Science.
„Procesi razdvajanja molekula — bilo za desalinizaciju vode, proizvodnju lekova ili đubriva — koriste neverovatnu količinu energije“, kaže autor studije, dr Miao Ju, profesor inovacija SUNI Empire na Odseku za hemiju i biološko inženjerstvo na Univerzitetu u Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.
„Ono što smo razvili je tehnika za laku proizvodnju jakih membrana bez defekata koje imaju krute nanopore koje se mogu precizno kontrolisati kako bi se omogućilo prolazu molekula različitih veličina“, dodaje Iu, član osnovnog fakulteta u Institutu UB RENEW.
Prvi autori studije su Bratin Sengupta, dr. student u Iuovoj laboratoriji i Kiaobei Dong, Ph.D., koji je studirao kod Iua i sada radi u GTI Energi.
Da bi stvorio membranu, istraživački tim je uzeo inspiraciju iz dve uobičajene, ali nepovezane, proizvodne tehnike.
Prvi je taloženje molekularnog sloja, koje uključuje nanošenje slojeva tankih filmova materijala i najčešće je povezano sa proizvodnjom poluprovodnika. Druga tehnika je međufazna polimerizacija, koja je metoda kombinovanja hemikalija koja se obično koristi za stvaranje gorivnih ćelija, hemijskih senzora i druge elektronike.
„Ove metode nisu nove“, kaže Sengupta, „kako god da je način na koji ih primenjujemo, a to je ključ za stvaranje naših novih nanoporoznih membrana“.
U eksperimentima, istraživači su spojili dva jeftina reaktanta – tečni etilen glikol i gasoviti titanijum tetrahlorid – na nosaču na bazi aluminijuma. Za nekoliko minuta, reakcija je stvorila tanak film.
Da bi stvorili nanopore, primenili su toplotu na film. Toplota sagoreva ugljenik, stvarajući male, mikroskopske rupe kroz koje molekuli mogu da prođu. Veličina nanopora može biti od 0,6 do 1,2 nanometra u prečniku—kako je određeno okruženjem gasa za kalcinaciju, kao i količinom i trajanjem toplote.
Metoda omogućava istraživačima da izbegnu mučan problem – male rupe koje se spajaju u veće, čineći ih poroznijim nego što je predviđeno – stvaranjem membrana na bazi polimera.
Nova membrana može da izdrži temperature do 284°F (140°C) i pritiske do 30 atmosfera kada je izložena organskim rastvaračima. Ovi atributi su ključni jer omogućavaju membrani da odvoji molekule na visokim temperaturama (da bi većina polimernih membrana radila, temperatura rastvarača mora biti snižena, što je skupo sa energetskog stanovišta).
„Sa ove tačke gledišta, naša membrana ima potencijal da smanji ugljenični otisak mnogih industrijskih procesa“, kaže Ju.
Da bi demonstrirao efikasnost membrane, tim je pokazao da može da odvoji boskalid, fungicid koji se koristi za zaštitu useva, od svog katalizatora i početnog reagensa. Ceo proces se odvijao na 194°F.
Tim planira dodatne eksperimente kako bi dokazao da je membrana sposobna da se poveća za komercijalne proizvode. Pored toga, Iu planira da pokrene kompaniju za unapređenje komercijalne održivosti tehnologije.
