Wetenschappers ontdekken nieuw gedrag van membranen dat tot ongekende scheidingen zou kunnen leiden

Stel je een basketbalwedstrijd voor die neerkomt op het laatste schot. De kans dat de bal door de hoepel gaat is misschien vrij klein, maar zou dramatisch toenemen als de speler de kans zou krijgen om er keer op keer op te schieten.

Een soortgelijk idee speelt op het wetenschappelijke gebied van membraanscheidingen, een sleutelproces dat centraal staat in industrieën die alles omvatten, van biotechnologie tot petrochemie tot waterbehandeling tot voedsel en drank.

“Scheidingen vormen de kern van zoveel producten die we in ons dagelijks leven gebruiken”, zegt Seth Darling, hoofd van het Advanced Materials for Energy Water Systems (AMEWS) Center van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). “Membranen zijn de sleutel tot efficiënte scheidingen.”

Veel commerciële processen maken gebruik van membranen om opgeloste stoffen van verschillende groottes te scheiden, dit zijn stoffen die worden opgelost in water of andere vloeistoffen. Bijna alle commerciële membranen zijn polydispers, wat betekent dat hun poriegroottes niet consistent zijn. Voor deze membranen is het bijna onmogelijk om een ​​scherpe scheiding van materialen uit te voeren, omdat opgeloste stoffen van verschillende grootte door verschillende poriën kunnen passen.

“In wezen hebben alle commerciële membranen, alle membranen die eigenlijk voor wat dan ook worden gebruikt, een breed scala aan poriegroottes: kleine poriën, middelgrote poriën en grote poriën,” zei Darling.

Darling en zijn collega’s bij Argonne en de Pritzker School of Molecular Engineering aan de Universiteit van Chicago zijn geïnteresseerd geweest in het kijken naar de eigenschappen van isoporeuze membranen, dit zijn membranen waarin alle poriën dezelfde grootte hebben.

Eerder geloofden wetenschappers dat er een grens was aan de scherpte van de scheidingen die ze op nanoschaal konden bereiken, niet alleen vanwege variaties in de poriegrootte, maar ook door een fenomeen dat ‘gehinderd transport’ wordt genoemd.

Gehinderd transport verwijst naar de interne weerstand van het vloeibare medium terwijl de opgeloste stof door de porie probeert te gaan.

“Het water in de porie zal een molecuul of deeltje dat erdoorheen probeert te slepen, waardoor het langzamer gaat werken,” zei Darling.

“Die langzamere opgeloste stoffen lijken door het membraan te worden afgewezen. Contra-intuïtief zullen objecten die zelfs maar half zo groot zijn als de porie uiteindelijk ongeveer de helft van de tijd worden afgewezen.” Het overwinnen van de afwijzing veroorzaakt door gehinderd transport zou een ongekende selectiviteit in op grootte gebaseerde scheidingen mogelijk maken, legde hij uit.

“Het regime waarin we geïnteresseerd zijn, omvat poriën met een diameter van ongeveer 10 nanometer. Met een perfect membraan en een goed procesontwerp denken we dat we opgeloste stoffen kunnen scheiden met een verschil in grootte van slechts 5%. De huidige membranen hebben geen kans om dat te bewerkstelligen weg”, zei Darling.

In een nieuwe studie ontdekten Darling en zijn collega’s een dynamiek die alleen onthuld kon worden door het bestuderen van isoporeuze membranen, en die hoop geeft op het overwinnen van gehinderde transportbeperkingen. Een artikel gebaseerd op het onderzoek verschijnt in de online editie van 20 juni Natuurwater.

“Tot nu toe gingen wetenschappers er impliciet van uit dat elke opgeloste stof maar één poging krijgt om door een porie te gaan, en dat gehinderd transport zou leiden tot afwijzing van veel opgeloste stoffen die kleiner waren dan de poriegrootte, waardoor ze in de voedingsstroom zouden blijven in plaats van in de poriën. uitvoerstroom,” voegde Darling eraan toe.

“Hoewel het voor sommigen misschien voor de hand liggend lijkt, hebben mensen nooit echt een situatie overwogen waarin de opgeloste stoffen meerdere pogingen zouden kunnen doen om door een membraan te dringen.”

Om de opgeloste moleculen meerdere kansen te geven om door de porie te dringen, was het nodig om de voedingsoplossing meerdere weken te laten circuleren.

“Zelfs met een langere periode van experimenteren zien we nog steeds dat individuele opgeloste stoffen gemiddeld een paar keer door een porie proberen te dringen, maar het maakt een groot verschil in het verplaatsen van de scheidingscurve naar een scherpere stapachtige functie,” zei lieveling.

“Gegeven een langere tijd, of waarschijnlijker een verbeterd procesontwerp, denken we dat we een duidelijke, scherpe scheiding zullen zien precies daar waar de poriegrootte overeenkwam met de grootte van de opgeloste stof.”

De inzichten uit isoporeuze membranen kunnen van toepassing zijn op bestaande membraanmaterialen die zijn ontworpen om het aantal mogelijkheden voor opgeloste stoffen om door de poriën te gaan te vergroten.

“Als deze fundamentele onderzoeken met succes kunnen worden overgedragen naar industriële membraanscheidingen, kan dit een enorme impact hebben op tal van sectoren van onze economie”, zei hij.