Oamenii de știință au conceput o sită inteligentă de ultimă generație, care ar putea reduce dramatic consumul energetic industrial și ar putea face reciclarea apei și purificarea chimică mult mai eficiente.
O nouă membrană inspirată din natură utilizează pori uniformi de un nanometru pentru a filtra moleculele cu o precizie remarcabilă. Tehnologia are potențialul de a transforma industrii precum cea farmaceutică și cea textilă prin reducerea consumului de energie, îmbunătățirea reutilizării apei și obținerea unei performanțe de separare mult superioare filtrelor actuale.
O echipă de cercetători de la Institutul Central de Cercetare a Apei Sărată și a Produselor Chimice Marine (CSMCRI), Institutul Indian de Tehnologie Gandhinagar (IITGN), Universitatea Tehnologică Nanyang din Singapore și Centrul Național pentru Științe S. N. Bose a dezvoltat un nou tip de membrană de filtrare de înaltă precizie. Studiul, publicat în Journal of the American Chemical Society, descrie o tehnologie care ar putea ajuta industriile să reducă consumul de energie și să mărească dramatic reutilizarea apei.
Multe activități industriale depind de separarea diferitelor substanțe. Aceste procese de separare sunt esențiale pentru sarcini precum purificarea medicamentelor, tratarea vopselelor textile și producția alimentară. Cu toate acestea, ele se numără printre cele mai consumatoare de energie operațiuni din industrie, reprezentând aproximativ 40% până la 50% din consumul global de energie industrială. Majoritatea instalațiilor încă se bazează pe abordări tradiționale precum distilarea și evaporarea. Deși eficiente, aceste metode necesită cantități mari de energie și contribuie semnificativ la emisiile de carbon. Filtrarea bazată pe membrane este, în general, considerată o alternativă mai curată, dar membranele convenționale din polimeri conțin adesea pori de dimensiuni neuniforme. În timp, acești pori se pot modifica sau degrada, reducând performanța și limitând utilitatea lor în medii industriale solicitante.
Membrane POM Inspirate din Natură Cu Pori de Un Nanometru
"Pentru a depăși aceste limitări, am conceput o nouă clasă de membrane cristaline ultra-slective, numite 'POMbrane', care conțin pori cu o lățime de aproximativ un nanometru, de mii de ori mai subțiri decât un fir de păr uman," a declarat Dr. Shilpi Kushwaha, cercetător principal la CSMCRI. Noile membrane se inspiră din sistemele biologice precum aquaporinele, care reglează mișcarea moleculelor prin canale de dimensiuni precise. Pentru a obține acest nivel de control, cercetătorii au utilizat aglomerări de polioxometalat (POM). Fiecare aglomerare conține o deschidere naturală de exact 1 nanometru lățime, care rămâne permanent stabilă.
Potrivit doamnei Priyanka Dobariya, doctorandă la CSMCRI și co-autoare principală a articolului, "Aceste POM-uri sunt aglomerări minuscule, în formă de coroană, care au o gaură permanentă, perfectă, în centru, ce nu se modifică și nu își pierde forma, aceasta fiind cea mai mare provocare a filtrelor tradiționale din plastic."
Construirea unei site moleculare ultra-subțiri
Crearea unei membrane practice a necesitat aranjarea a miliarde de aceste structuri minuscule, asemănătoare unor inele, într-un strat continuu, fără defecte. Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au atașat lanțuri chimice flexibile la aglomerările POM. Când aglomerările modificate au fost plasate pe apă, ele s-au răspândit natural și s-au organizat într-un film ultra-subțire de mari dimensiuni. Modificând lungimea lanțurilor atașate, echipa a putut controla cât de strâns s-au împachetat aglomerările.
"Acest lucru a forțat moleculele să traverseze membrana prin singura cale deschisă, găurile de un nanometru încorporate în fiecare aglomerare, permițând membranei să acționeze ca o sită de înaltă tehnologie," a adăugat Dr. Raghavan Ranganathan, profesor asociat la Departamentul de Ingineria Materialelor al IITGN. Dr. Ranganathan și domnul Vinay Thakur, doctorand la IITGN și co-autor principal al articolului, au efectuat, de asemenea, simulări la nivel molecular care au dezvăluit modul în care membranele își îndeplinesc funcția de filtrare.
Performanță de separare de aproape Zece Ori Mai Bună
Testele au arătat că membranele pot distinge între molecule care diferă doar cu 100-200 Daltoni, un nivel de precizie extrem de greu de atins cu membranele convenționale din polimeri. Potrivit Dr. Ketan Patel, cercetător principal la CSMCRI, această capacitate ar putea crea noi oportunități pentru procese de fabricație mai durabile.
"Membranele noastre prezintă o performanță de separare de aproape zece ori mai bună comparativ cu tehnologiile existente, rămânând flexibile, stabile și scalabile," a afirmat el. "În plus, aceste membrane sunt flexibile, stabile la diferite niveluri de aciditate (intervale de pH) și pot fi fabricate în foi mari. Această combinație este esențială dacă membranele urmează să fie adoptate pe scară largă în industrie."
Beneficii Potențiale pentru Textile și Reciclarea Apei
Tehnologia ar putea fi deosebit de valoroasă pentru industriile textile și farmaceutice din India, ambele având roluri majore în economia țării. Sectorul textil și de confecții al Indiei contribuie cu peste 2,3% la PIB și reprezintă aproximativ 13% din producția industrială. Piața internă este în prezent evaluată la 160-225 miliarde USD și se așteaptă să se extindă la 250-350 miliarde USD până în 2030. Operațiunile de vopsire și finisare textilă generează cantități mari de ape uzate contaminate, făcând eliminarea vopselei și reutilizarea apei provocări continue. Noile membrane ar putea elimina selectiv moleculele de vopsea, permițând în același timp recircularea apei, reducând atât cererea de apă proaspătă, cât și deșeurile chimice. Acest avantaj este deosebit de important pe măsură ce piața de tratare a apelor uzate din India continuă să crească.
Aplicații în Producția Farmaceutică
Membranele ar putea, de asemenea, să beneficieze producția farmaceutică, unde separările de înaltă precizie sunt critice pentru calitatea produselor și eficiența producției. "Procese precum purificarea medicamentelor și recuperarea solvenților sunt atât consumatoare de energie, cât și sensibile la calitate," a subliniat domnul Vinay Thakur. "Membranele foarte selective precum acestea pot reduce consumul de energie, menținând în același timp standardele stricte necesare în producția farmaceutică."
O Tehnologie Platformă pentru Fabricarea Durabilă
Cercetătorii descriu noile POMbrane ca o tehnologie platformă versatilă. Structura lor ajustabilă, selectivitatea ridicată și capacitatea de a rezista la medii chimice dure le fac potrivite pentru o gamă largă de sarcini de separare industriale, de la tratarea apelor uzate la fabricarea chimică avansată. Pe măsură ce industriile caută din ce în ce mai mult tehnologii care combină eficiența, durabilitatea și sustenabilitatea, membranele inginerizate la nivel molecular ar putea deveni o parte importantă a sistemelor de fabricație de generație următoare. Aplicând un principiu comun în biologie, controlul precis la scară moleculară, și adaptându-l într-o tehnologie de materiale scalabilă, cercetătorii au demonstrat cum designul inspirat din natură poate ajuta la rezolvarea unor provocări industriale majore.