Neuartige Membran könnte Energieaufwand bei der Trennung von Molekülen zur Entsalzung und Wirkstoffentwicklung reduzieren.

10. September 2023

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Korrekturgelesen von Bratin Sengupta, Miao Yu, The Conversation

Die Trennung von Molekülen ist entscheidend für die Herstellung vieler wichtiger Produkte. Zum Beispiel werden bei der Erdölraffinerie die Kohlenwasserstoffe - chemische Verbindungen aus Wasserstoff und Kohlenstoff - im Rohöl anhand ihrer molekularen Größe, Form und Masse in Benzin, Diesel und Schmiermittel getrennt. In der pharmazeutischen Industrie werden die Wirkstoffe in Medikamenten durch die Trennung von Wirkstoffmolekülen von Enzymen, Lösungen und anderen Bestandteilen, die bei der Herstellung verwendet werden, gereinigt. Diese Trennungsprozesse erfordern eine erhebliche Menge an Energie und machen etwa die Hälfte des industriellen Energieverbrauchs in den USA aus. Traditionell wurden Molekültrennungen mit Methoden durchgeführt, die intensive Erwärmung und Abkühlung erfordern und daher sehr energieineffizient sind.

Wir sind chemische und biologische Ingenieure. In unserer gerade veröffentlichten Forschung in Science haben wir eine neue Art von Membran mit Nanoporen entwickelt, die Moleküle unter rauen industriellen Bedingungen schnell und präzise trennen kann.

Membranen sind physikalische Barrieren, die Moleküle in einem Gemisch wie ein Sieb anhand ihrer Größe oder Affinität - wie Ladung oder Polarität - zum Membranmaterial trennen können. Zum Beispiel sind Ihre Zellen von einer Membran umgeben, die Nährstoffe in sie transportiert und Toxine aus ihr heraus transportiert. Die Membrantechnologie umfasst synthetische Barrieren, die Moleküle in industriell wichtigen Gemischen mit geringerem Energieaufwand als traditionelle Methoden trennen können.

Derzeit verfügbare Membranen, einschließlich derer, die bei der groß angelegten Entsalzung von Meerwasser verwendet werden, sind instabil bei hohen Temperaturen und wenn sie organischen Lösungsmitteln - kohlenstoffbasierten Chemikalien, die andere Substanzen auflösen - ausgesetzt sind. Dies hat den Einsatz von Membranen bei vielen industriellen Trennungen eingeschränkt.

Unorganische Materialien sind stabiler und besser in der Lage, industriellen Bedingungen standzuhalten. Frühere Studien konzentrierten sich darauf, ultradünne anorganische Membranen herzustellen, um bestimmten Molekülen das Durchtreten zu ermöglichen. Eine dünne Membran erhöht jedoch die Wahrscheinlichkeit von Defekten und Pinholes in der Membran und wäre schwierig in großem Maßstab herzustellen.

Wir haben eine Technik entwickelt, um ein neues anorganisches Material namens kohlenstoffdotiertes Metalloxid herzustellen, das organische Moleküle kleiner als ein Nanometer trennen kann (zum Vergleich: ein Goldatom hat einen Durchmesser von einem Drittel eines Nanometers).

Anhand einer bereits bestehenden Technologie, die Hersteller zum Herstellen von Halbleitern verwenden und als molekularer Schichtabscheidung bezeichnet wird, haben wir mit zwei kostengünstigen Reaktanten aus diesem Prozess gearbeitet und dünnen Filme erzeugt. Diese Filme enthalten Nanoporen, die präzise eingestellt werden können, um die Trennung von Molekülen mit Durchmessern von 0,6 bis 1,2 Nanometern zu kontrollieren.

Ein wichtiges Merkmal unserer Membran ist ihre Beständigkeit gegenüber rauen Bedingungen. Diese Membranen sind bis zu 284° Fahrenheit (140° Celsius) und Drücken von bis zu 30 Atmosphären (ungefähr 441 Pfund pro Quadratzoll) bei Vorhandensein von organischen Lösungsmitteln stabil. Diese Stabilität ist entscheidend, da viele industrielle Trennungsprozesse enorme Mengen an Energie einsparen können, wenn sie bei hohen Temperaturen durchgeführt werden.

Zur Demonstration haben wir unsere Membran beim Molekültrennungsschritt während der Herstellung des Pestizids Boscalid eingesetzt. Indem wir die Porengrößen unserer Membranen an die Größen der Moleküle im Gemisch angepasst haben, konnten wir jede einzelne Komponente von Ausgangsstoff, Produkt und Katalysator trennen.

Aufgrund der Stabilität unserer Membran konnten wir den gesamten Prozess bei 194°F (90°C), der Temperatur, bei der die Reaktion stattfindet, durchführen, ohne die Temperatur während des Trennungsprozesses zu senken. Dadurch kann der Energieverbrauch erheblich reduziert und damit auch der CO2-Fußabdruck des industriellen Prozesses verringert werden.

Wir glauben, dass unsere Membran bei vielen ähnlichen industriellen Prozessen verwendet werden kann, einschließlich solcher, die unter rauen Bedingungen stattfinden, bei denen herkömmliche Membranen versagen würden, und wir sind zuversichtlich, dass sie schnell in großem Maßstab eingesetzt werden kann. Dies kann Forschern und Herstellern die Nutzung von Membranen in zuvor unerforschten Anwendungen ermöglichen.

Journal information: Science

Provided by The Conversation

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