In vielen chemiebezogenen Industriezweigen, wie z. B. Pharmazeutika, Ölraffinerien sowie Lebensmittel- und Getränkefabriken, ist die Trennung organischer Flüssigkeitsgemische ein wesentlicher Schritt. Eine klassische Methode hierfür ist die Destillation, bei der eine Mischung auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, sodass nur einer ihrer Bestandteile verdampft.
Obwohl die Destillation weit verbreitet ist, gelingt es ihr nicht, organische Flüssigkeitsgemische zu trennen, in denen beide Komponenten den gleichen Siedepunkt haben. Darüber hinaus handelt es sich um einen energie- und ressourcenintensiven Prozess, der Forscher dazu motiviert, nach nachhaltigeren Alternativen zu suchen.
In den letzten Jahren haben membranbasierte Trenntechniken stetig an Bedeutung gewonnen, da sie energieeffizienter sein können und eine bessere Selektivität bieten als herkömmliche Methoden. Während es viele Arten von Trennmembranen gibt, werden aus ionischen Flüssigkeiten (ILs) hergestellte Membranen selten zur Trennung organischer Flüssigkeitsmischungen verwendet, hauptsächlich aufgrund von Stabilitätsproblemen und einem unzureichenden Verständnis ihrer Eigenschaften.
Um diese Einschränkungen zu beseitigen, machte sich ein Forschungsteam aus Japan daran, die Leistung und Mechanismen eines neuen Typs einer IL-basierten Organosilikatmembran für die Trennung organischer Flüssigkeiten zu untersuchen. Zum Team gehörten der außerordentliche Professor Yuichiro Hirota vom Nagoya Institute of Technology, Dr. Ayumi Ikeda vom National Institute of Advanced Industrial Science and Technology und der außerordentliche Professor Sadao Araki von der Kansai-Universität.
Ihr Studium war veröffentlicht in der Zeitschrift für Membranwissenschaft.
Die von den Forschern verwendete Trenntechnik heißt Pervaporation (PV). „Bei der PV-Methode geht es um die teilweise Verdampfung einer Flüssigkeitsmischung durch eine Membran, deren stromabwärtige Seite unter Vakuum steht, wodurch eine höhere Permeabilität erreicht wird“, erklärt Dr. Hirota. Basierend auf früheren Ergebnissen mit IL-basierten Membranen zur Trennung organischer Dämpfe erwartete das Team, dass sich PV für die Trennung von Mischungen organischer Flüssigkeiten eignen würde.
Die Membrantrennung ist eine vielversprechende Strategie zur Trennung organischer Flüssigkeitsgemische, die einen wesentlichen Schritt in der Pharma- und Kohlenwasserstoffindustrie darstellt. In dieser Studie entwickelten und testeten die Forscher eine neuartige Membran auf der Basis ionischer Flüssigkeiten in einem Pervaporationsaufbau und erreichten eine hohe Selektivität und Permeabilität bei der Trennung bestimmter Alkohole und aromatischer Kohlenwasserstoffe von Alkanen. Bildnachweis: Yuichiro Hirota vom Nagoya Institute of Technology
Zunächst stellten die Forscher eine IL vom Imidazolium-Typ her, indem sie die Chloridionen in 1-Methyl-3-(1-triethoxysilylpropyl)imidazoliumchlorid (SipmimCl) durch Bis(trifluormethylsulfonyl)imidionen (Tf2N−) ersetzten, um SipmimTf2N zu erhalten. Nachdem SipmimTf2N mit Wasser gewaschen und das viskose Produkt dekantiert worden war, erhielt das Team durch Trocknung ein chemisch stabilisiertes Polymer namens PolySipmimTf2N, das Silsesquioxane enthält.
Um schließlich die Membranen herzustellen, beschichteten die Forscher die Außenfläche hohler nanoporöser Aluminiumoxidröhren mit einer Lösung aus Methanol und PolySipmimTf2N.
Anschließend wurden mehrere Experimente durchgeführt, um die Eigenschaften und Leistung dieser Membranen im PV-Verfahren zu analysieren. Zunächst maßen die Forscher durch unäre PV-Tests (d. h. mit einer einzelnen organischen Verbindung statt einer Mischung) die Durchlässigkeit verschiedener Alkohole, aromatischer Kohlenwasserstoffe und Alkane. Sie untersuchten auch, wie die Permeabilitätswerte mit den Hansen-Löslichkeitsparametern (HSPs) jeder Verbindung und denen der Membran selbst zusammenhängen.
Anschließend führten sie binäre PV-Tests durch, bei denen sie Toluol, Methanol und 1-Hexanol von n-Hexan trennten. Wie Dr. Hirota erklärt, befasste sich jeder dieser Tests mit einer besonderen Herausforderung bei der Trennung organischer Flüssigkeiten: „Die Toluol/n-Hexan-Mischung war eine Aromaten/Alkan-Mischung mit Unterschieden in der Flüchtigkeit und Molekülgröße -Hexan-Mischung war eine azeotrope Mischung und daher hatten beide Komponenten gleiche Siedepunkte.
„Schließlich fiel die Wahl auf das 1-Hexanol/n-Hexan-Gemisch, weil es mit Molekularsiebmembranen nur schwer zu trennen wäre.“
Interessanterweise zeigten die Membranen eine außergewöhnlich gute Leistung bei der Abtrennung von Toluol N-Hexan, wodurch ein hohes Permeanzverhältnis von 11 erreicht wurde. Darüber hinaus waren die Membranen bei der Abtrennung von 1-Hexanol hochselektiv N-Hexan. Wie die Daten der HSP-basierten Analysen bestätigten, hing die Trennleistung der vorgeschlagenen Membranen eng mit der Affinität zwischen der Zielverbindung und der Membran selbst zusammen. Dies impliziert, dass die Ionen, die die ionische Flüssigkeit bilden, je nach angestrebter organischer Flüssigkeitsmischung ersetzt werden könnten, um eine effiziente Trennung zu erreichen.
Zusammengenommen verdeutlichen die Ergebnisse dieser Studie das Potenzial von IL-basierten chemisch stabilisierten Membranen für die affinitätsbasierte Trennung organischer Flüssigkeiten. Da PV eines Tages energieintensive Destillationsprozesse ersetzen könnte, werden diese Erkenntnisse zu einer nachhaltigeren Chemieindustrie beitragen. Mit etwas Glück sollte dies den Weg zur CO2-Neutralität ebnen und letztendlich die globale Erwärmung abmildern.
Mehr Informationen:
Yuichiro Hirota et al., Pervaporationseigenschaften einer aus silylierter ionischer Flüssigkeit gewonnenen Organosilikatmembran, Zeitschrift für Membranwissenschaft (2023). DOI: 10.1016/j.memsci.2023.122392