La separazione delle molecole richiede molta energia. Questa membrana nanoporosa e resistente al calore potrebbe cambiare la situazione / Separating molecules requires a lot of energy. This nanoporous, heat-resistant membrane could change that

 La separazione delle molecole richiede molta energia. Questa membrana nanoporosa e resistente al calore potrebbe cambiare la situazione / Separating molecules requires a lot of energy. This nanoporous, heat-resistant membrane could change that

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa 

Le immagini sopra descrivono in dettaglio come si forma la membrana. Le tre immagini verticali a sinistra mostrano i legami tra tetracloruro di titanio (reagente metallico) e glicole etilenico (reagente organico). L'immagine centrale mostra come si combinano i due materiali. Le immagini del lato destro mostrano la membrana senza pori (OHF denso) e la membrana dopo che il carbonio è stato rimosso per creare pori (CDTO poroso). / The images above detail how the membrane forms. The three vertical images on the left show the bonds between titanium tetrachloride (metallic reactant) and ethylene glycol (organic reactant). The center image shows how the two materials combine. The images of the right side show the membrane without pores (dense OHF) and the membrane after carbon has been removed to create pores (porous CDTO).

L’industria si affida da tempo a processi ad alta intensità energetica, come la distillazione e la cristallizzazione, per separare le molecole che alla fine servono come ingredienti in medicina, prodotti chimici ed altri prodotti.

Negli ultimi decenni si è cercato di sostituire questi processi con le membrane, che rappresentano potenzialmente un’alternativa a basso costo ed ecologica. Sfortunatamente, la maggior parte delle membrane sono realizzate con polimeri che si degradano durante l’uso, rendendole poco pratiche.

Per risolvere questo problema, un gruppo di ricerca guidato dall’Università di Buffalo ha creato una nuova membrana più robusta in grado di resistere agli ambienti difficili – alte temperature, alta pressione e solventi chimici complessi – associati ai processi di separazione industriale.

Realizzato con un materiale inorganico chiamato ossido di metallo drogato con carbonio, è descritto in uno studio pubblicato il 7 settembre su Science.

"I processi di separazione delle molecole, sia per la desalinizzazione dell'acqua, sia per la produzione di medicinali o fertilizzanti, utilizzano un'incredibile quantità di energia", afferma l'autore corrispondente dello studio, Miao Yu, Ph.D., professore di innovazione SUNY Empire presso il Dipartimento di Chimica. e Ingegneria Biologica presso la Scuola di Ingegneria e Scienze Applicate dell'Università di Buffalo.

"Ciò che abbiamo sviluppato è una tecnica per fabbricare facilmente membrane resistenti e prive di difetti, dotate di nanopori rigidi che possono essere controllati con precisione per consentire il passaggio di molecole di diverse dimensioni", aggiunge Yu, membro della facoltà principale dell'UB RENEW Institute.

I primi autori dello studio sono Bratin Sengupta, un Ph.D. studente nel laboratorio di Yu e Qiaobei Dong, Ph.D., che ha studiato con Yu e ora lavora presso GTI Energy.

Ispirato dai semiconduttori

Per creare la membrana, il gruppo di ricerca si è ispirato a due tecniche di produzione comuni, ma non correlate.

Il primo è la deposizione di strati molecolari, che comporta la stratificazione di film sottili di materiali ed è spesso associata alla produzione di semiconduttori. La seconda tecnica è la polimerizzazione interfacciale, che è un metodo di combinazione di sostanze chimiche comunemente utilizzato per creare celle a combustibile, sensori chimici ed altri componenti elettronici.

"Questi metodi non sono nuovi", afferma Sengupta, "tuttavia lo è il modo in cui li applichiamo, e questa è la chiave per creare le nostre nuove membrane nanoporose".

Negli esperimenti, i ricercatori hanno unito due reagenti a basso costo – glicole etilenico liquido e tetracloruro di titanio gassoso – su un supporto a base di alluminio. In pochi minuti, la reazione ha creato un film sottile.

Per creare i nanopori, hanno applicato calore alla pellicola. Il calore brucia il carbonio, creando minuscoli fori microscopici attraverso i quali le molecole possono passare. La dimensione dei nanopori può variare da 0,6 a 1,2 nanometri di diametro, come determinato dall'ambiente del gas di calcinazione, nonché dalla quantità e dalla durata del calore.

Il metodo consente ai ricercatori di evitare un problema fastidioso – piccoli fori che si fondono in altri più grandi, rendendoli così più porosi del previsto – con la creazione di membrane a base polimerica.

Potenziale riduzione dell’impronta di carbonio

La nuova membrana può resistere a temperature fino a 140°C (284°F) e pressioni fino a 30 atmosfere se esposta a solventi organici. Questi attributi sono fondamentali perché consentono alla membrana di separare le molecole ad alte temperature (perché la maggior parte delle membrane polimeriche funzioni, la temperatura dei solventi deve essere abbassata, il che è costoso dal punto di vista energetico).

"Da questo punto di vista, la nostra membrana ha il potenziale di ridurre l' impronta di carbonio di molti processi industriali", afferma Yu.

Per dimostrare l'efficacia della membrana, il gruppo ha dimostrato che è in grado di separare il boscalid, un fungicida utilizzato per proteggere le colture, dal suo catalizzatore e reagente di partenza. L'intero processo è avvenuto a 194°F.

Il gruppo sta pianificando ulteriori esperimenti per dimostrare che la membrana può essere ampliata per prodotti commerciali. Inoltre, Yu prevede di avviare un'azienda per promuovere la fattibilità commerciale della tecnologia.

ENGLISH

Industry has long relied upon energy-intensive processes, such as distillation and crystallization, to separate molecules that ultimately serve as ingredients in medicine, chemicals and other products.

In recent decades, there has been a push to supplant these processes with membranes, which are potentially a lower-cost and eco-friendly alternative. Unfortunately, most membranes are made from polymers that degrade during use, making them impractical.

To solve this problem, a University at Buffalo-led research team has created a new, sturdier membrane that can withstand harsh environments—high temperatures, high pressure and complex chemical solvents—associated with industrial separation processes.

Made from an inorganic material called carbon-doped metal oxide, it is described in a study published Sept. 7 in Science.

"The processes of separating molecules—whether for water desalination, the production of medicine or fertilizers—use an incredible amount of energy," says the study's corresponding author, Miao Yu, Ph.D., SUNY Empire Innovation Professor in the Department of Chemical and Biological Engineering in the University at Buffalo School of Engineering and Applied Sciences.

"What we have developed is a technique to easily fabricate defect-free, strong membranes that have rigid nanopores that can be precisely controlled to allow different-sized molecules to pass through," adds Yu, a core faculty member in the UB RENEW Institute.

The study's first authors are Bratin Sengupta, a Ph.D. student in Yu's lab, and Qiaobei Dong, Ph.D., who studied under Yu and now works at GTI Energy.

Inspired by semiconductors

To create the membrane, the research team took inspiration from two common, but unrelated, manufacturing techniques.

The first is molecular layer deposition, which involves layering thin films of materials and is most often associated with semiconductor production. The second technique is interfacial polymerization, which is a method of combining chemicals that is commonly used to create fuel cells, chemical sensors and other electronics.

"These methods are not new," says Sengupta, "however the manner in which we apply them is, and that is the key to creating our new nanoporous membranes."

In experiments, researchers merged two low-cost reactants—liquid ethylene glycol and gaseous titanium tetrachloride—on an aluminum-based support. Within minutes, the reaction created a thin-film.

To create the nanopores, they applied heat to the film. The heat burns off carbon, creating tiny, microscopic holes for molecules to pass through. The size of the nanopores can be anywhere from 0.6 to 1.2 nanometers in diameter—as determined by the calcination gas environment, as well as the amount and duration of heat.

The method allows researchers to avoid a nagging problem—small holes merging into larger ones, thus making them more porous than intended—with creating polymer-based membranes.

Potential to reduce carbon footprint

The new membrane can withstand temperatures up to 284°F (140°C) and pressures up to 30 atmospheres when exposed to organic solvents. These attributes are key because they allow the membrane to separate molecules at high temperatures (for most polymer membranes to work, the temperature of the solvents must be lowered, which is costly from an energy standpoint).

"From this point of view, our membrane has the potential reduce the carbon footprint of many industrial processes," Yu says.

To demonstrate the membrane's effectiveness, the team showed it could separate boscalid, a fungicide used to protect crops, from its catalyst and starting reagent. The entire process occurred at 194°F.

The team is planning additional experiments to prove the membrane is capable of being scaled up for commercial products. Additionally, Yu plans to start a company to further the technology's commercial viability.

Da:

https://phys.org/news/2023-09-molecules-requires-lot-energy-nanoporous.html?fbclid=IwAR0qteJCkRRRuunxquDNZ3iV4NvU8HQYoi-nY89QciCJdmelKVW1VHekMWI