Vorstellung einer neuen Technik zur Vorbereitung von Membranen auf der Basis ionischer Flüssigkeiten für die Gemischtrennung

In vielen Bereichen ist die Trennung von Gemischen in ihre Bestandteile unerlässlich. Beispielsweise spielt die Gemischtrennung in der petrochemischen Industrie sowie in chemischen Reinigungs- und Syntheseanlagen eine Schlüsselrolle. Darüber hinaus ist die Trennung von Gemischen auch aus Nachhaltigkeitsgesichtspunkten wichtig. Durch die selektive Trennung von Verbindungen aus Gemischen können wir nützliche Substanzen zurückgewinnen und wiederverwenden und gleichzeitig schädliche Gase aus dem Output industrieller Prozesse abfangen.

In jüngster Zeit haben ionische Flüssigkeiten (ILs), bei denen es sich um geschmolzene Salze handelt, die aus einem organischen Kation und einem organischen oder anorganischen Anion bestehen, große Aufmerksamkeit bei Materialwissenschaftlern auf sich gezogen. Diese Verbindungen bieten einzigartige und vielversprechende Eigenschaften für die membranbasierte Gemischtrennung. Genauer gesagt ist es durch die Beschichtung einer tragenden porösen Membran mit sorgfältig ausgewählten ILs möglich, bestimmte Gase selektiv aus einer Mischung zu extrahieren, indem die Affinität der Membran auf diese Gase abgestimmt wird.

Trotz des Potenzials von Membranen mit immobilisierten ILs für die Gemischtrennung bleibt ihre Herstellung recht komplex. In früheren Studien stellten Forscher zunächst Siloxanverbindungen mit einer IL-Gruppe über Flüssigphasenreaktionen her und schichteten dieses Material dann mithilfe einer bekannten Technik namens Sol-Gel-Technik auf eine nanoporöse Membran auf. Dieser mehrstufige Prozess kann mühsam, zeitaufwändig und etwas unflexibel sein.

Um diese Probleme anzugehen und die Herstellung von IL-basierten Membranen zu vereinfachen, hat ein Forschungsteam aus Japan unter der Leitung von außerordentlichem Professor Yuichiro Hirota vom Nagoya Institute of Technology eine innovative Lösung entwickelt. Sie entwickelten eine einfachere, vielseitige und unkomplizierte Methode zur Herstellung von IL-immobilisierten Membranen durch Gasphasenreaktionen. Diese Arbeit war veröffentlicht im Zeitschrift für Membranwissenschaft. Professor Shunsuke Tanaka von der Kansai-Universität war ebenfalls Teil dieser Forschungsgruppe.

Die vorgeschlagene Strategie beginnt mit der Tauchbeschichtung nanoporöser Aluminiumoxidrohre auf eine Lösung, die polymerisiertes (3-Chlorpropyl)diethoxy(methyl)silan (ClPDMS) enthält. Dadurch entsteht eine dünne Polymermembran mit freiliegenden Chlorpropylgruppen auf der Oberfläche der nanoporösen Röhren.

Anschließend verwendeten die Forscher eine Technik namens Dampfphasentransport (VPT)-Behandlung, bei der die ClPDMS-Membranen in ein geschlossenes Gefäß gegeben und bei kontrollierter Temperatur 1-Methylimidazol-Dampf ausgesetzt werden. Durch diese Behandlung werden nahezu alle Chlorpropylgruppen in eine IL-Struktur vom Imidazolium-Typ mit Chloranionen und Imidazoliumkationen umgewandelt. Anschließend genügt ein einfaches Eintauchen der membranbeschichteten Röhrchen in eine wässrige HN(SO2CF3)2-Lösung, um Anionen von Chlor zu (CF3SO2)2N− auszutauschen.

Um die Wirksamkeit der VPT-Strategie zu beweisen, charakterisierten die Forscher die resultierenden Membranen gründlich mithilfe von Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und AgCl-Fällungsreaktionen. Sie führten außerdem Permeabilitäts- und Permselektivitätstests durch, um zu messen, wie gut verschiedene Membranen Gase wie H2, H2O und Toluol aus Gemischen extrahieren können.

„Unsere Arbeit ist das erste bekannte Beispiel für die Herstellung von Trennmembranen mithilfe von VPT und Anionenaustausch in Materialien auf der Basis ionischer Flüssigkeiten und die Bewertung der Leistung der Membranen in Bezug auf Permeation und Trennung“, sagt Hirota. Er fügt hinzu: „Die entwickelten Techniken bieten ein hervorragendes Potenzial für die Herstellung verschiedener IL-immobilisierter Siloxanmembranen.“

Insgesamt stellt diese Studie eine praktische Methode zur Herstellung maßgeschneiderter Membranen für die Gemischtrennung dar. Wenn solche Membranen vielseitiger und zugänglicher gemacht werden, wird ihre Präsenz in industriellen Anwendungen wahrscheinlich zunehmen, was für die Nachhaltigkeit von großem Wert sein könnte.

„Mit membranbasierter Trenntechnik könnten Prozesse zur Synthese der verschiedenen Produkte und Kraftstoffe, die uns umgeben, Energie sparen und so zur Lösung von Umweltproblemen wie der globalen Erwärmung beitragen“, kommentiert Hirota. „Dies wird zu unserem gemeinsamen Ziel beitragen, bis 2050 CO2-Neutralität zu erreichen.“