Una nuova membrana potrebbe ridurre la spesa energetica nella separazione delle molecole per la desalinizzazione e lo sviluppo di farmaci.

10 settembre 2023

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corretto da Bratin Sengupta, Miao Yu, The Conversation

La separazione delle molecole è fondamentale per la produzione di molti prodotti essenziali. Ad esempio, nel processo di raffinazione del petrolio, gli idrocarburi - composti chimici composti da carbonio e idrogeno - presenti nel petrolio grezzo vengono separati in benzina, diesel e lubrificanti, selezionandoli in base alla loro dimensione, forma e peso molecolare. Nell'industria farmaceutica, gli ingredienti attivi nei medicinali vengono purificati separando le molecole del farmaco dagli enzimi, dalle soluzioni e da altri componenti utilizzati per la loro preparazione.

I processi di separazione richiedono una notevole quantità di energia, corrispondente a circa la metà del consumo energetico industriale degli Stati Uniti. Tradizionalmente, le separazioni molecolari si basano su metodi che richiedono riscaldamento e raffreddamento intensivi, rendendoli molto inefficienti dal punto di vista energetico.

Siamo ingegneri chimici e biotecnologici. Nella nostra ricerca recentemente pubblicata su Science, abbiamo progettato un nuovo tipo di membrana con nanopori in grado di separare rapidamente e precisamente una vasta gamma di molecole in condizioni industriali difficili.

Le membrane sono delle barriere fisiche che possono separare le molecole in una miscela, come un setaccio, in base alla loro dimensione o affinità - come carica o polarità - al materiale della membrana. Ad esempio, le vostre cellule sono circondate da una membrana che trasporta i nutrienti all'interno e le tossine all'esterno. La tecnologia delle membrane comprende barriere sintetiche che possono separare le molecole in miscele di importanza industriale con un costo energetico inferiore rispetto ai metodi tradizionali.

Le membrane attualmente disponibili, comprese quelle utilizzate nella desalinizzazione di grandi quantità di acqua di mare, sono instabili ad alte temperature e quando sono esposte a solventi organici - sostanze chimiche a base di carbonio che dissolvono altre sostanze. Ciò ha limitato l'utilizzo delle membrane in molte separazioni industriali.

I materiali inorganici sono più stabili e migliori nel resistere alle condizioni industriali. Studi precedenti si sono concentrati sulla realizzazione di membrane inorganiche ultrapiatte per consentire il passaggio di specifiche molecole. Ma la sottigliezza aumenta la probabilità di creare difetti e fori nella membrana e sarebbe difficile realizzarla su scala industriale.

Abbiamo sviluppato una tecnica per realizzare un nuovo materiale inorganico chiamato ossido di metallo drogato con carbonio, in grado di separare molecole organiche più piccole di un nanometro (per confronto, un atomo d'oro ha un terzo di nanometro di diametro).

Prendendo ispirazione da una tecnologia già esistente utilizzata per produrre semiconduttori, chiamata deposizione di strati molecolari, abbiamo lavorato con due reagenti a basso costo di quel processo e generato film sottili. Questi film contengono nanopori che possono essere regolati in modo preciso per controllare la separazione di molecole con un diametro compreso tra 0,6 e 1,2 nanometri.

Una delle caratteristiche chiave della nostra membrana è che può resistere a condizioni difficili. Queste membrane sono stabili fino a 284 °Fahrenheit (140 °Celsius) e pressioni fino a 30 atmosfere (circa 441 libbre per pollice quadrato) in presenza di solventi organici. Questa stabilità è fondamentale, poiché numerosi processi di separazione industriale possono risparmiare notevoli quantità di energia se effettuati a temperature elevate.

Come dimostrazione, abbiamo utilizzato la nostra membrana nella fase di separazione molecolare durante la produzione del pesticida boscalid. Regolando le dimensioni dei pori delle nostre membrane in base alle dimensioni delle molecole presenti nella miscela, siamo riusciti a separare ogni singolo componente di reagente, prodotto e catalizzatore.

Grazie alla stabilità della nostra membrana, siamo stati in grado di effettuare l'intero processo alla temperatura di 194°Fahrenheit (90°C), la temperatura alla quale avviene la reazione, eliminando la necessità di ridurre la temperatura durante il processo di separazione. Ciò può ridurre significativamente il consumo di energia e, di conseguenza, l'impronta di carbonio del processo industriale.

Crediamo che la nostra membrana possa essere utilizzata in molti altri processi industriali simili, compresi quelli che coinvolgono condizioni difficili in cui le membrane tradizionali fallirebbero, e siamo fiduciosi che possa essere rapidamente ampliata. Ciò può aprire la porta a ricercatori e produttori per l'utilizzo di membrane in applicazioni precedentemente inesplorate.

Journal information: Science

Provided by The Conversation

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