Los procesos de separación química son esenciales en la fabricación de muchos productos, desde gasolina hasta whisky. Dichos procesos son energéticamente costosos y representan aproximadamente del 10 al 15 por ciento del consumo mundial de energía. En particular, el uso de los llamados "procesos de separación térmica", como la destilación para separar hidrocarburos derivados del petróleo, está profundamente arraigado en la industria química y tiene una huella energética asociada muy grande. Los procesos de separación basados ​​en membranas tienen el potencial de reducir significativamente dicho consumo de energía.

Los procesos de filtración por membrana que separan los contaminantes del aire que respiramos y del agua que bebemos se han vuelto comunes. Sin embargo, las tecnologías de membranas para separar hidrocarburos y otros materiales orgánicos están mucho menos desarrolladas.

Los ingenieros de Penn están desarrollando nuevas membranas para separaciones orgánicas energéticamente eficientes mediante el replanteamiento de su estructura física en la nanoescala.

La nanofiltración con membranas autoensamblables ha sido un área de investigación importante para Chinedum Osuji, profesor presidencial Eduardo D. Glandt en el Departamento de Ingeniería Química y Biomolecular, y su laboratorio. El rendimiento de estas membranas se destacó en un estudio anterior que describía cómo la estructura de la membrana ayudaba a minimizar el compromiso limitante entre selectividad y permeabilidad que se encuentra en las membranas de nanofiltración tradicionales. Esta tecnología también se incluyó en la competencia Y-Prize del año pasado, y los ganadores presentaron un caso para su uso para producir cerveza y vino sin alcohol en una empresa nueva llamada LiberTech.

Ahora, el último estudio de Osuji adapta la membrana para la filtración en soluciones orgánicas como el etanol y el alcohol isopropílico, y sus moléculas autoensamblables la hacen más eficiente que la nanofiltración de solventes orgánicos (OSN) tradicional.

El estudio, publicado en Science Advances , describe cómo los poros uniformes de esta membrana pueden ajustarse cambiando el tamaño o la concentración de las moléculas de autoensamblaje que finalmente forman el material. Esta capacidad de ajuste ahora abre puertas para el uso de esta tecnología de membrana para resolver problemas de filtración orgánica más diversos del mundo real. Los investigadores en el laboratorio de Osuji, incluido el primer autor y ex investigador postdoctoral, Yizhou Zhang, el investigador postdoctoral, Dahin Kim y el estudiante graduado, Ruiqi Dong, así como Xunda Feng de la Universidad de Donghua, contribuyeron a este trabajo.

Un desafío al que se enfrentó el equipo fue la dificultad de mantener la estabilidad de la membrana en disolventes orgánicos con diferentes polaridades. Seleccionaron especies moleculares, tensioactivos, que presentaban una baja solubilidad en fluidos orgánicos y que podían unirse químicamente de manera efectiva para proporcionar la estabilidad requerida. Los tensioactivos se autoensamblan en agua cuando están por encima de cierta concentración y forman un gel blando. Tal autoensamblaje, la formación de un estado ordenado, en función de la concentración se denomina comportamiento liotrópico:"lyo-" se refiere a solución y "-tropic" se refiere a orden. Los geles así formados se denominan mesofases liotrópicas.

Las membranas desarrolladas en este estudio se crearon formando primero mesofases liotrópicas del tensioactivo en agua, extendiendo el gel suave como una película delgada y luego usando una reacción química para unir los tensioactivos para formar un polímero nanoporoso. El tamaño de los poros en el polímero lo establece la estructura autoensamblada de la mesofase liotrópica.

"A una cierta concentración en una solución acuosa, las moléculas de surfactante se agregan y forman varillas cilíndricas, y luego esas varillas se ensamblarán en una estructura hexagonal, produciendo un material similar a un gel", dice Osuji. "Una de las formas en que podemos manipular la permeabilidad, o el tamaño de los poros en nuestras membranas, es cambiando la concentración y el tamaño de las moléculas de surfactante utilizadas para crear la membrana misma. En este estudio, manipulamos ambas variables para ajustar nuestros tamaños de poro desde 1,2 nanómetros hasta 0,6 nanómetros".

Estas membranas son compatibles con solventes orgánicos y se pueden adaptar para abordar diferentes desafíos de separación. La nanofiltración de solventes orgánicos puede reducir la huella de los procesos tradicionales de separación térmica. El tamaño de poro uniforme de las membranas desarrolladas aquí proporciona ventajas convincentes en términos de selectividad de la membrana y, en última instancia, también de eficiencia energética.

"Una aplicación específica de esta tecnología es la producción de biocombustibles", dice Osuji. "El aislamiento de alcoholes miscibles en agua de los biorreactores es un paso clave en la fabricación de biocombustibles de etanol y butanol. Las separaciones de membrana pueden reducir la energía utilizada en la separación de los alcoholes o combustibles producto del medio acuoso en el reactor. El uso de membranas es particularmente ventajoso en operaciones de menor escala como esta, donde la destilación no es rentable".

"Además, la fabricación de muchos productos farmacéuticos a menudo implica varios pasos de síntesis en diferentes entornos de solventes. Esos pasos requieren la transferencia de un producto químico intermedio de un solvente a otro solvente miscible, lo que convierte a esta nueva membrana en una solución perfecta para las necesidades de filtración del desarrollo de fármacos. "

Los próximos pasos para su investigación implican tanto la teoría como la práctica. El equipo planea desarrollar nuevos modelos para el rechazo y la permeabilidad de las membranas que aborden el patrón de flujo único de las soluciones a través de sus membranas, así como identificar futuras aplicaciones adicionales para su tecnología ajustable. + Explora más

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