Os processos de separação química são essenciais na fabricação de muitos produtos, da gasolina ao uísque. Esses processos são energeticamente caros, representando aproximadamente 10 a 15 por cento do consumo global de energia. Em particular, o uso dos chamados "processos de separação térmica", como a destilação para separar hidrocarbonetos à base de petróleo, está profundamente enraizado na indústria química e tem uma pegada energética associada muito grande. Os processos de separação baseados em membranas têm o potencial de reduzir significativamente esse consumo de energia.
Os processos de filtração por membrana que separam os contaminantes do ar que respiramos e da água que bebemos tornaram-se comuns. No entanto, as tecnologias de membrana para separar hidrocarbonetos e outros materiais orgânicos são muito menos desenvolvidas.

Os engenheiros da Penn estão desenvolvendo novas membranas para separações orgânicas com eficiência energética repensando sua estrutura física em nanoescala.

A nanofiltração usando membranas de automontagem tem sido uma importante área de pesquisa para Chinedum Osuji, Eduardo D. Glandt Professor Presidencial do Departamento de Engenharia Química e Biomolecular e seu laboratório. O desempenho dessas membranas foi destacado em um estudo anterior que descreve como a estrutura da própria membrana ajudou a minimizar a compensação limitante entre seletividade e permeabilidade encontrada em membranas de nanofiltração tradicionais. Essa tecnologia também foi incluída na competição Y-Prize do ano passado, e os vencedores apresentaram um caso para seu uso para produzir cerveja e vinho sem álcool em uma startup chamada LiberTech.

Agora, o último estudo de Osuji adapta a membrana para filtração em soluções orgânicas, como etanol e álcool isopropílico, e suas moléculas de automontagem a tornam mais eficiente do que a nanofiltração de solvente orgânico tradicional (OSN).

O estudo, publicado na revista Science Advances , descreve como os poros uniformes desta membrana podem ser ajustados alterando o tamanho ou a concentração das moléculas de automontagem que finalmente formam o material. Essa sintonização agora abre portas para o uso dessa tecnologia de membrana na solução de problemas de filtragem orgânica mais diversos do mundo real. Pesquisadores do laboratório Osuji, incluindo o primeiro autor e ex-pesquisador de pós-doutorado, Yizhou Zhang, pesquisador de pós-doutorado, Dahin Kim e o estudante de pós-graduação Ruiqi Dong, bem como Xunda Feng da Universidade de Donghua, contribuíram para este trabalho.

Um desafio que a equipe enfrentou foi a dificuldade de manter a estabilidade da membrana em solventes orgânicos com diferentes polaridades. Eles selecionaram espécies moleculares, surfactantes, que exibiam baixa solubilidade em fluidos orgânicos e que poderiam ser efetivamente ligados quimicamente para fornecer a estabilidade necessária. Os tensoativos se automontam na água quando estão acima de uma certa concentração e formam um gel macio. Essa automontagem - a formação de um estado ordenado - em função da concentração é chamada de comportamento liotrópico:"lyo-" referindo-se à solução e "-tropic" referindo-se à ordem. Os géis assim formados são chamados de mesofases liotrópicas.

As membranas desenvolvidas neste estudo foram criadas formando primeiro mesofases liotrópicas do surfactante em água, espalhando o gel macio como um filme fino e, em seguida, usando uma reação química para unir os surfactantes para formar um polímero nanoporoso. O tamanho dos poros no polímero é definido pela estrutura automontada da mesofase liotrópica.

“Em uma certa concentração em uma solução aquosa, as moléculas de surfactante se agregam e formam bastões cilíndricos, e então esses bastões se automontam em uma estrutura hexagonal, produzindo um material semelhante a gel”, diz Osuji. "Uma das maneiras de manipular a permeabilidade, ou tamanho dos poros em nossas membranas, é alterando a concentração e o tamanho das moléculas de surfactante usadas para criar a própria membrana. Neste estudo, manipulamos essas duas variáveis ​​para ajustar nossos tamanhos de poros de 1,2 nanômetros até 0,6 nanômetros."

Essas membranas são compatíveis com solventes orgânicos e podem ser adaptadas para atender a diferentes desafios de separação. A nanofiltração de solvente orgânico pode reduzir a pegada dos processos tradicionais de separação térmica. O tamanho de poro uniforme das membranas desenvolvidas aqui oferece vantagens convincentes em termos de seletividade da membrana e, em última análise, eficiência energética também.

"Uma aplicação específica para essa tecnologia é na produção de biocombustíveis", diz Osuji. "O isolamento de álcoois miscíveis em água de biorreatores é uma etapa fundamental na fabricação de biocombustíveis de etanol e butanol. As separações por membrana podem reduzir a energia usada na separação dos álcoois ou combustíveis do produto, do meio aquoso no reator. O uso de membranas é particularmente vantajoso em operações de menor escala como esta, onde a destilação não é econômica."

"Além disso, a fabricação de muitos produtos farmacêuticos geralmente envolve várias etapas de síntese em diferentes ambientes de solventes. Essas etapas exigem a transferência de um intermediário químico de um solvente para outro solvente miscível, tornando esta nova membrana uma solução perfeita para as necessidades de filtração do desenvolvimento de medicamentos. "

Os próximos passos para sua pesquisa envolvem teoria e prática. A equipe planeja desenvolver novos modelos para rejeição e permeabilidade de membranas que abordem o padrão de fluxo exclusivo de soluções através de suas membranas, bem como identificar aplicações futuras adicionais para sua tecnologia ajustável. + Explorar mais

Nova estratégia de modificação direcionada melhora a seletividade das membranas de nanofiltração de poliamida