Membrane brucianti per setacciatura molecolare

18 agosto 2022

dall'Università di Scienza e Tecnologia King Abdullah

Una robusta membrana di nanofiltrazione che agisce come un setaccio molecolare altamente efficace può evitare molti dei problemi riscontrati con le attuali membrane polimeriche.

La filtrazione svolge un ruolo cruciale in molti settori, dalla depurazione dell'acqua alla produzione farmaceutica. La nanofiltrazione di solventi organici, ad esempio, utilizza membrane con piccoli pori per rimuovere le molecole disciolte in solventi organici (a base di carbonio).

La nanofiltrazione è più efficiente dal punto di vista energetico rispetto ai metodi di separazione alternativi come la distillazione. Ma per resistere ai rigori dell’uso industriale, le membrane di nanofiltrazione devono essere stabili contro solventi, acidi e basi aggressivi.

"Sfortunatamente, la maggior parte delle membrane a base polimerica presenta una scarsa stabilità chimica", afferma il postdoc Rifan Hardian. Queste membrane in genere necessitano di ulteriori reticolanti chimici per migliorare la loro stabilità, il che ne complica la produzione. Molte membrane, gonfiandosi e invecchiando, tendono anche a perdere le loro prestazioni e possono addirittura rompersi rilasciando tracce di contaminanti.

Hardian e i suoi colleghi KAUST Mahmoud A. Abdulhamid e Gyorgy Szekely hanno ora superato questi inconvenienti creando un nuovo tipo di membrana a setaccio molecolare di carbonio (CMS) che non richiede reticolanti aggiuntivi.

La membrana si basa su un polimero chiamato 6FDA-DMN, che può essere formato in una membrana piatta e porosa con buona stabilità termica. Cuocere la membrana polimerica a 400-600 gradi Celsius per diverse ore ha gradualmente bruciato alcuni dei suoi gruppi chimici per lasciare una membrana resistente realizzata interamente in carbonio. Le immagini al microscopio elettronico hanno mostrato che alle temperature più elevate, questo processo di carbonizzazione riduce notevolmente anche i pori della membrana.

Dopo aver messo a punto le condizioni utilizzate per realizzare la membrana CMS, i ricercatori hanno testato le sue capacità di filtrazione utilizzando soluzioni contenenti molecole di diverse dimensioni. Il profilo delle molecole trattenute dalla membrana, rispetto a quelle che passavano attraverso i suoi pori, ha rivelato quanto fosse efficace la membrana nel setacciare diverse molecole.

Le membrane preparate a 600 gradi Celsius hanno dato i risultati migliori, trattenendo la maggior parte delle molecole più piccole e consentendo il passaggio delle molecole di solvente. Il team ha inoltre scoperto che la struttura porosa del polimero iniziale era fondamentale per produrre una membrana CMS con un'elevata permeabilità ai solventi.

"Una combinazione di elevata reiezione di piccole molecole ed elevata permeabilità ai solventi indica una migliore prestazione della membrana", spiega Hardian. "Le membrane hanno inoltre mostrato un'eccezionale stabilità in vari solventi organici, inclusi acidi e basi, per un lungo periodo."

I ricercatori stanno ora lavorando per migliorare la permeabilità della membrana e prevedono di incorporare vari nanomateriali nella membrana per controllarne le proprietà.

La ricerca è stata pubblicata su Applied Materials Today.

Maggiori informazioni: Mahmoud A. Abdulhamid et al, Membrane a setaccio molecolare al carbonio con struttura asimmetrica integralmente rivestita per nanofiltrazione di solventi organici (OSN) e osmosi inversa di solventi organici (OSRO), Applied Materials Today (2022). DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101541

Fornito dalla King Abdullah University of Science and Technology