Сжигающие мембраны для молекулярного сита

18 августа 2022 г.

Университет науки и технологий имени короля Абдаллы

Прочная нанофильтрационная мембрана, действующая как высокоэффективное молекулярное сито, позволяет избежать многих проблем, присущих современным полимерным мембранам.

Фильтрация играет решающую роль во многих отраслях промышленности, от очистки воды до фармацевтического производства. Например, при нанофильтрации органических растворителей используются мембраны с крошечными порами для удаления молекул, растворенных в органических растворителях (на основе углерода).

Нанофильтрация более энергоэффективна, чем альтернативные методы разделения, такие как дистилляция. Но чтобы выдерживать суровые условия промышленного использования, нанофильтрационные мембраны должны быть устойчивы к агрессивным растворителям, кислотам и основаниям.

«К сожалению, большинство мембран на полимерной основе обладают плохой химической стабильностью», — говорит постдок Рифан Хардиан. Этим мембранам обычно требуются дополнительные химические сшивающие агенты для повышения их стабильности, что усложняет их производство. Многие мембраны по мере набухания и старения также имеют тенденцию терять свои эксплуатационные характеристики и могут даже разрушаться, выделяя следы загрязнений.

Хардиан и его коллеги из KAUST Махмуд А. Абдулхамид и Дьёрдь Секели теперь преодолели эти недостатки, создав новый тип мембраны углеродного молекулярного сита (CMS), который не требует дополнительных сшивающих агентов.

Мембрана основана на полимере 6FDA-DMN, из которого можно сформировать плоскую пористую мембрану с хорошей термической стабильностью. Запекание полимерной мембраны при температуре 400–600 градусов по Цельсию в течение нескольких часов постепенно сжигало некоторые химические группы, образуя прочную мембрану, полностью состоящую из углерода. Изображения, полученные с помощью электронного микроскопа, показали, что при самых высоких температурах этот процесс карбонизации также значительно сузил поры мембраны.

После точной настройки условий, используемых для изготовления мембраны CMS, исследователи проверили ее фильтрационные способности, используя растворы, содержащие молекулы различных размеров. Профиль молекул, удерживаемых мембраной, по сравнению с теми, которые прошли через ее поры, показал, насколько эффективно мембрана фильтрует различные молекулы.

Мембраны, приготовленные при температуре 600 градусов по Цельсию, работали лучше всего, удерживая большинство мельчайших молекул, позволяя молекулам растворителя проходить через них. Команда также обнаружила, что пористая структура исходного полимера была ключом к созданию мембраны CMS с высокой проницаемостью для растворителей.

«Сочетание высокого отторжения малых молекул и высокой проницаемости для растворителей указывает на лучшие характеристики мембраны», — объясняет Хардиан. «Мембраны также демонстрировали исключительную стабильность в различных органических растворителях, включая кислоты и основания, в течение длительного периода времени».

В настоящее время исследователи работают над улучшением проницаемости мембраны и планируют включить в мембрану различные наноматериалы для контроля ее свойств.

Исследование было опубликовано в журнале Applied Materials Today.

Больше информации: Махмуд А. Абдулхамид и др., Мембраны углеродных молекулярных сит с асимметричной структурой со сплошной оболочкой для нанофильтрации органических растворителей (OSN) и обратного осмоса органических растворителей (OSRO), Applied Materials Today (2022). DOI: 10.1016/j.apmt.2022.101541

Предоставлено Университетом науки и технологий имени короля Абдаллы.