Die Trennung von Molekülen ist für die Herstellung vieler lebenswichtiger Produkte von entscheidender Bedeutung. Zum Beispiel in Ölraffinerie, werden die Kohlenwasserstoffe – chemische Verbindungen aus Wasserstoffen und Kohlenstoffen – im Rohöl in Benzin, Diesel und Schmierstoffe getrennt, indem sie nach ihrer Molekülgröße, Form und ihrem Gewicht sortiert werden. Im Pharmaindustriewerden die Wirkstoffe in Medikamenten gereinigt, indem die Medikamentenmoleküle von den Enzymen, Lösungen und anderen Komponenten, die zu ihrer Herstellung verwendet werden, getrennt werden.
Diese Trennprozesse erfordern einen erheblichen Energieaufwand etwa die Hälfte des industriellen Energieverbrauchs der USA. Traditionell basierten molekulare Trennungen auf Methoden, die intensives Erhitzen und Kühlen erforderten, wodurch sie sehr energieineffizient waren.
Wir sind chemische und Bioingenieure. In unserer neu veröffentlichten Forschung in Wissenschaftwir haben eine neue Art von entworfen Membran mit Nanoporen die unter rauen industriellen Bedingungen schnell und präzise eine Vielzahl von Molekülen trennen kann.
Membrantechnologie
Membranen sind physikalische Barrieren Das kann Moleküle in einer Mischung wie ein Sieb anhand ihrer Größe oder Affinität – wie Ladung oder Polarität – zum Membranmaterial trennen. Zum Beispiel, Deine Zellen sind von einer Membran umgeben, die Nährstoffe in sie hinein und Giftstoffe aus ihr heraus transportiert. Membrantechnologie Dazu gehören synthetische Barrieren, die Moleküle in industriell wichtigen Gemischen zu geringeren Energiekosten als herkömmliche Methoden trennen können.
Derzeit verfügbare Membranen, auch solche, die im großen Maßstab verwendet werden Meerwasserentsalzungleiden unter Instabilität bei hohen Temperaturen und wenn sie diesen ausgesetzt werden organische Lösungsmittel– Chemikalien auf Kohlenstoffbasis, die andere Substanzen auflösen. Dies hat den Einsatz von Membranen in vielen industriellen Trennungen eingeschränkt.
Membranen sind eine Methode zur Wasserentsalzung.
Anorganische Materialien sind stabiler und überstehen industrielle Bedingungen besser. Frühere Studien konzentrierten sich auf die Herstellung ultradünner anorganischer Membranen, um den Durchgang bestimmter Moleküle zu ermöglichen. Bei geringerer Dicke steigt jedoch die Wahrscheinlichkeit, dass in der Membran Defekte und Nadellöcher entstehen, und die Herstellung im industriellen Maßstab wäre schwierig.
Verbesserung der Membrantrennung
Wir haben eine Technik zur Herstellung eines neuen anorganischen Materials namens entwickelt Kohlenstoffdotiertes Metalloxid das organische Moleküle trennen kann, die kleiner als ein Nanometer sind (zum Maßstab: a Goldatom hat einen Durchmesser von einem Drittel Nanometer).
Inspiriert von einer bestehenden Technologie, die Hersteller zur Herstellung von Halbleitern verwenden Ablagerung molekularer SchichtenWir haben mit zwei kostengünstigen Reaktanten aus diesem Prozess gearbeitet und dünne Filme erzeugt. Diese Filme enthalten Nanoporen, die präzise abgestimmt werden können, um die Trennung von Molekülen mit einem Durchmesser von 0,6 bis 1,2 Nanometern zu steuern.
Eines der Hauptmerkmale unserer Membran ist, dass sie es kann rauen Bedingungen standhalten. Diese Membranen sind bis zu 140° Celsius (284° Fahrenheit) und in Gegenwart organischer Lösungsmittel einem Druck von bis zu 30 Atmosphären (ca. 441 Pfund pro Quadratzoll) stabil. Diese Stabilität ist von entscheidender Bedeutung, da viele industrielle Trennprozesse enorme Energiemengen einsparen können, wenn sie bei hohen Temperaturen durchgeführt werden.
Zur Demonstration haben wir unsere Membran im Molekültrennungsschritt bei der Herstellung des Pestizids Boscalid eingesetzt. Durch die Anpassung der Porengrößen unserer Membranen an die Größe der Moleküle in der Mischung konnten wir dies erreichen Trennen Sie jede einzelne Komponente von Reaktant, Produkt und Katalysator.
Aufgrund der Stabilität unserer Membran konnten wir den gesamten Prozess bei 194 °F (90 °C) durchführen, der Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet, sodass die Temperatur während des Trennvorgangs nicht gesenkt werden musste. Dadurch kann der Energieverbrauch erheblich gesenkt und damit auch der CO2-Fußabdruck des Industrieprozesses verringert werden.
Wir glauben, dass unsere Membran in vielen ähnlichen industriellen Prozessen eingesetzt werden kann, auch in solchen mit rauen Bedingungen, bei denen herkömmliche Membranen versagen würden, und sind zuversichtlich, dass sie schnell skaliert werden kann. Dies kann Forschern und Herstellern die Tür öffnen, Membranen in bisher unerforschten Anwendungen einzusetzen.
Mehr Informationen:
Bratin Sengupta et al., Kohlenstoffdotierte Metalloxid-Grenzflächennanofilme für die ultraschnelle und präzise Trennung von Molekülen, Wissenschaft (2023). DOI: 10.1126/science.adh2404
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