Nuovo ferro magnetico

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 13675 (2022) Citare questo articolo

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Questo lavoro presenta nuove membrane magnetiche in poli(etersulfone) (PES) a matrice mista che combinano i vantaggi del comune polimero PES a basso costo e delle leghe magnetiche ferro-nichel a basso costo. Inoltre, le membrane PES a matrice mista magnetica presentate sono state fabbricate e utilizzate senza applicare un campo magnetico esterno durante la colata della membrana o il processo di separazione. Le membrane magnetiche fabbricate sono state preparate utilizzando la tecnica dell'inversione di fase e una miscela di solventi N-metilpirrolidone e N,N-Dimetilformammide con rapporto volumetrico 1:9 e cloruro di litio come additivo. Le leghe magnetiche ferro-nichel utilizzate sono state preparate mediante un semplice metodo di riduzione chimica con morfologie uniche (Fe10Ni90; simile a una stella marina e Fe20Ni80; simile a una collana). Le membrane fabbricate sono state caratterizzate utilizzando l'imaging al microscopio elettronico a scansione (SEM) e al microscopio elettronico a trasmissione e scansione (STEM), raggi X a dispersione di energia (EDX), termogravimetrico (TGA) e diffrazione di raggi X (XRD). Inoltre, sono stati determinati l'angolo statico di contatto con l'acqua, lo spessore della membrana, la rugosità superficiale, la porosità della membrana, la resistenza alla trazione della membrana, nonché l'analisi del magnetometro del campione vibrante (VSM) e la velocità di transizione dell'ossigeno (OTR). Inoltre, è stato studiato l'effetto della concentrazione della lega e dell'uso del cloruro di litio come additivo sulle proprietà delle membrane PES vuote e a matrice mista magnetica fabbricate. Le nuove membrane PES a matrice mista magnetica presentate hanno un'elevata coercività fino a 106 (emu/g) con un OTR di 3,61 × 10–5 cm3/cm2·s rispetto alle membrane PES vuote non permeabili all'ossigeno. Le nuove membrane magnetiche PES a matrice mista presentate hanno un buon potenziale nella separazione del gas (ossigeno).

La separazione dell'aria nei suoi componenti viene generalmente effettuata per uso industriale e medicale. La separazione di miscele binarie di gas è particolarmente richiesta per produrre gas preziosi per numerose applicazioni e mitigare l'inquinamento. I gas di idrogeno, ossigeno e azoto sono considerati i gas più preziosi e di particolare importanza poiché i singoli gas puri ottenuti possono essere apportati in modo efficiente in diverse aree1. L'aria arricchita di ossigeno ha varie applicazioni mediche, chimiche e industriali, ad esempio viene utilizzata per migliorare la combustione nella combustione dell'ossicombustibile aumentando le velocità di combustione2, rigenerazione dei catalizzatori nel cracking catalitico fluido3, miglioramento della qualità dell'aria interna4,5, trattamento delle acque reflue piante6,7 e trattamenti medici8,9. Nel frattempo, l'aria arricchita di azoto può essere utilizzata nella conservazione degli alimenti10,11, nella lotta agli incendi12,13, nel recupero dell'olio14,15 e nel drenaggio dell'acqua16.

Le tecniche convenzionali utilizzate per la separazione del gas O2/N2 sono la distillazione criogenica17,18 e l'adsorbimento con oscillazione di pressione (PSA)19,20,21. Entrambe le tecniche sono tecnologie commerciali in cui l'ossigeno e l'azoto possono essere prodotti in una quantità sostanzialmente adeguata e ad elevata purezza, tuttavia sono limitate dalla loro complessità, dai grandi requisiti di spazio, dai costi elevati e dall'elevato consumo di energia22. Negli ultimi decenni la separazione del gas tramite membrana ha attirato l'attenzione speciale dei ricercatori. Offre numerosi vantaggi rispetto ai metodi convenzionali in termini di consumo energetico, ingombro, spazio ridotto, rispetto dell'ambiente, costi relativi di capitale e di esercizio e facilità di funzionamento23,24,25.

Le membrane per la separazione dei gas sono classificate in: membrane organiche (polimeriche), inorganiche, membrane a matrice mista (composite) (MMM) e altre membrane sviluppate di recente come membrane ioniche supportate da liquidi (ILSM)26, polimeri con microporosità intrinseca (PIM)27, struttura metallo-organica (MOF)28 e polimeri riarrangiati termicamente (TR)29. Gli svantaggi delle membrane polimeriche includono un compromesso intrinseco tra permeabilità e selettività, nonché una stabilità termica e chimica inferiore rispetto alle membrane inorganiche. Le membrane inorganiche hanno un'efficienza di separazione maggiore rispetto alle membrane polimeriche e possono resistere a processi di separazione ad alta temperatura; tuttavia, la loro separazione è inversamente proporzionale alla pressione del gas di alimentazione nonché alle possibilità di avvelenamento30. Per migliorare le applicazioni delle membrane nella separazione del gas, nuovi materiali/membrane a matrice mista (MMM) possono combinare i vantaggi sia della matrice polimerica che del riempitivo inorganico e ridurre al minimo gli svantaggi di entrambi i componenti per essere la chiave per migliorare il gas a base di membrana separazione.