Forscher verwenden eine Wasseraufbereitungsmethode, um Säuren aus landwirtschaftlichen Abfällen zu binden

Landwirtschaftliche Abfälle, die für die Deponie bestimmt sind, enthalten Kohlenstoffquellen, die zur Herstellung hochwertiger Verbindungen verwendet werden können, wie z. B. p-Cumarsäure, die in der Herstellung von Arzneimitteln verwendet wird. Elektrodeionisierung, ein Trennverfahren, das Ionenaustauschmembranen verwendet, ist eine Möglichkeit, die Säuren und andere nützliche Komponenten einzufangen. Um jedoch große Mengen im Maßstab zu erfassen, müssen Verbesserungen an der Methode vorgenommen werden.

Ein von der Penn State geleitetes Forschungsteam hat eine neue Klasse von Ionenaustauschmembran-Waferanordnungen erfunden, die die Fähigkeit der Elektrodeionisation, p-Cumarsäure aus flüssigen Gemischen abzuscheiden, erheblich verbessert und gleichzeitig weniger Energie verbraucht und Geld spart. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher in ACS Nachhaltige Chemietechnik. Ihr Artikel wurde auch für das Titelblatt der Zeitschrift vom 23. Januar ausgewählt.

Die Elektroentionisierung wurde zuerst kommerzialisiert, um Wasser zu reinigen, und wurde in den letzten Jahren verwendet, um wertvolle Komponenten aus Abfallströmen zu gewinnen. Dabei wird ein flüssiger Gemischstrom durch einen Stapel aus mehreren Ionenaustauschermembranen und Harzwafern geleitet, die einem Schwamm ähneln und mit einem Polymerkleber zusammengehalten werden. Wenn Strom angelegt wird, bewegen sich die Ionen in der Flüssigkeit durch den Stapel, und p-Cumarsäure trennt sich in einen konzentrierten Prozessstrom, wo sie dann gesammelt werden kann.

„Um den Prozess zu verbessern, mussten wir den Harzwafer verbessern“, sagte der korrespondierende Autor Chris Arges, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Penn State. „Früher umschlossen die Membranen den Harzwaferschwamm mit einem Polyethylenklebstoff, der derzeit in der Industrie als Harzklebstoff verwendet wird, aber dies führte zu einem schlechten Kontakt zwischen der Membran und dem Harzwafer. Wir ersetzten das Polyethylen durch Imidazolium-Ionomer, a Art von Polymer und klebte eine Imidazolium-Membran auf den Harzwafer.“

Durch das Aufkleben der Membran auf den Wafer reduzierten die Forscher die benötigte Membranmenge um 30 %, was die Kosten der Elektroentionisierungseinheit senkte. Das neue Design reduzierte auch den Grenzflächenwiderstand zwischen der Membran und dem Wafer, da die gleiche Membran- und Bindemittelchemie zusammengeklebt wurden, anstatt mit Luftspalten auf und unter dem Schwamm zu sitzen. Die Verringerung des Widerstands führte zu einer erhöhten Abscheidungsrate von p-Cumarsäure, was es den Forschern ermöglichte, eine kleinere Einheit zu verwenden.

„Wir wussten, dass das neue Material mehr p-Cumarinsäure einfängt, aber wir waren uns nicht sicher, warum“, sagte Arges. „Unser Mitarbeiter Revati Kumar führte Simulationen durch, um herauszufinden, warum es besser funktionierte.“

Kumar, außerordentlicher Professor für Chemie an der Louisiana State University, fand heraus, dass das Imidazolium die Löslichkeit der p-Cumarinsäure erhöht und eine schnellere Diffusion innerhalb des Materials anspornt.

„Zusammengenommen sind Löslichkeit und Diffusion gleich Permeabilität oder wie schnell wir die Säure entfernen, wenn sie durch das Membran-Harz-Wafer-Netzwerk in die Konzentratkammer gelangt“, sagte Arges.

Arges verglich die Durchlässigkeit mit der Rate der Reisenden, die eine Flughafensicherheitslinie passieren. Je mehr Sicherheitskontrollen hinzugefügt werden, desto mehr Personen können sich durch die Linie bewegen, was die Durchlässigkeit der Linie erhöht.

Eine erhöhte Permeabilität verringert daher die Wahrscheinlichkeit, dass sich die p-Cumarsäure an die Materialien des Membranharzwafers bindet, was als Fouling bekannt ist, anstatt sich über die Membran zu bewegen.

„Die Imidazolium-Membran-Harz-Wafer-Baugruppe fördert den Fluss von p-Cumarsäure durch die Membran, was ein Problem darstellt, wenn andere Materialien wie Polyethylen verwendet werden“, sagte Arges.

Beim Vergleich mit der aktuellen Harzwaferkonfiguration führen die neue Membrankonfiguration und die neuen Materialien laut Forschern zu einer siebenfachen Steigerung der p-Curmarsäure-Abscheidung bei 70 % weniger Energieverbrauch. Die neuen Baugruppen reduzieren auch die Menge an Membranen, die im Prozess verwendet werden, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.

Die Mitarbeiter von Arges am Argonne National Laboratory meldeten ein Patent für die neuartige Membran-Wafer-Montagetechnologie an.

Neben Arges und Kumar gehören zu den Co-Autoren Matthew Jordan, Hishara Keshani Gallage Dona und Dodangodage Ishara Senadheera, Louisiana State University; und Grzegorz Kokoszka und Yupo J. Lin, Argonne National Laboratory.