Effetto del liquido ionico sulla formazione di membrane di ultrafiltrazione di copoliimmide con migliore rigetto di La3+

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 8200 (2022) Citare questo articolo

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L'ultrafiltrazione (UF) come metodo di separazione industriale ampiamente utilizzato con selezione ottimale dei materiali della membrana può essere applicata per estrarre metalli delle terre rare da soluzioni diluite formate durante il trattamento dei rifiuti elettronici mediante metodi idrometallurgici. Nel presente lavoro, promettenti membrane di copoliimmide UF sono state preparate utilizzando il co-solvente liquido ionico (IL) [hmim] [TCB] che può essere considerato un'alternativa ecologica ai solventi convenzionali. Le membrane sono state caratterizzate mediante ATR-FTIR, TGA, SEM e calcoli di chimica quantistica. Una differenza significativa nella morfologia di queste membrane è stata rivelata dal SEM delle sezioni trasversali delle membrane; la membrana P84 ha una struttura a forma di dito di substrato poroso in contrasto con la struttura spugnosa del substrato per la membrana P84/IL a causa di una maggiore viscosità dinamica della soluzione di colata. I parametri di trasporto sono stati determinati mediante prove di ultrafiltrazione con acqua pura e una soluzione acquosa di albumina sierica bovina. L'aggiunta di liquido ionico alla soluzione di colata P84 aumenta le prestazioni della membrana. La capacità di rigetto è stata valutata rispetto a La3+ sotto forma di complesso lantanio-alizarina (LAC) in soluzione acquosa di acetone. La membrana P84 preparata utilizzando IL ha mostrato un elevato rigetto (98,5%) rispetto al LAC, nonché una produttività significativa.

Le tecniche a membrana, con i loro grandi vantaggi rispetto ai metodi di separazione convenzionali, vengono utilizzate efficacemente per risolvere compiti ambientali e industriali urgenti di purificazione di soluzioni acquose e separazione di componenti da mezzi liquidi1,2,3,4,5. Le tecniche a membrana richiedono costi energetici ed economici minimi, sono facili da utilizzare, implementare e mantenere. La moderna ultrafiltrazione (UF) è in costante sviluppo e trova applicazione nei settori alimentare, farmaceutico, tessile, della carta e in altri settori6,7,8. Processi su larga scala, come la filtrazione ad alta temperatura di oli viscosi, la purificazione dell'acqua nei reattori nucleari, la catalisi chimica, le reazioni in fase gassosa e altri, richiedono membrane UF che presentino non solo elevata permeabilità, selettività e buone proprietà meccaniche, ma anche proprietà termiche. e stabilità chimica9,10,11,12. Tra i materiali disponibili in commercio, i polimeri con unità immidiche nella catena principale possiedono in larga misura le proprietà di cui sopra, dovute alla presenza di anelli eterociclici e aromatici rigidi nelle loro catene13,14,15,16,17,18,19,20 ,21,22,23. La copoliimmide P84 (BTDA-TDI/MDI) è un prodotto della policondensazione tra benzofenone-3,3',4,4'-tetracarbossilico dianidride (BTDA) e 2,4-tolilene diisocianato/1,1′-metilenebis(4-isocianatobenzene ) (80/20%) ; questo polieteroarilene disponibile in commercio presenta buone proprietà meccaniche, resistenza chimica e bassa idrofilicità. La copoliimmide P84 è stata studiata come materiale di membrana per la nanofiltrazione24, la separazione del gas25,26 e la pervaporazione14,27,28,29,30.

Lo studio sulle membrane P84 nei processi UF è stato condotto in31,32,33,34. Nel lavoro34, gli autori hanno confrontato la struttura e le proprietà delle membrane preparate da tre poliimmidi commerciali: P84, Matrimid e Torlon a seconda del solvente utilizzato, N-metilpirrolidone (NMP) o dimetilsolfossido (DMSO). Le membrane sono state formate mediante la tecnica dell'inversione di fase utilizzando l'acqua come coagulante. La membrana P84 ottenuta dalla soluzione di DMSO aveva una struttura porosa e spugnosa, in contrasto con la struttura a dita della membrana ottenuta dalla soluzione di NMP. La differenza nelle strutture si rifletteva nelle proprietà di trasporto delle membrane UF. Si è riscontrato che la membrana P84 ottenuta da una soluzione in NMP possedeva le migliori proprietà di trasporto.

Le membrane polimeriche sono comunemente preparate da soluzioni a base di solventi aprotici polari, come NMP, DMSO, dimetilacetammide e dimetilformammide a causa della loro affinità chimica per un polimero; i solventi polari elencati sono altamente tossici per la salute umana e gli ecosistemi. I liquidi ionici (IL) forniscono un'alternativa ecologica ai solventi convenzionali35; Gli IL sono sali organici che rimangono liquidi a temperatura ambiente, hanno buone proprietà termiche e chimiche, bassa volatilità e possono essere riciclati e riutilizzati. L'uso di tali solventi "verdi" ridurrebbe al minimo gli sprechi e le perdite nei processi chimici36. È stato dimostrato in37 che l'uso di 1-etil-3-metilimidazolio tetrafluoroborato come additivo (fino al 17% IL) nella soluzione di polietersulfone in DMF per la formazione di membrane UF porta ad un aumento significativo del flusso per un ambiente acquoso soluzione di sieroalbumina bovina e nel rapporto di recupero del flusso.