Μια ομάδα ερευνητών από το CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), το Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Nanyang της Σιγκαπούρης και το Εθνικό Κέντρο Βασικών Επιστημών του SN Bose ανέπτυξε έναν νέο τύπο μεμβράνης διήθησης υψηλής ακρίβειας. Έρευνα, που δημοσιεύτηκε Εφημερίδα της Αμερικανικής Χημικής ΕταιρείαςΠεριγράφει μια τεχνολογία που μπορεί να βοηθήσει τις βιομηχανίες να μειώσουν τη χρήση ενέργειας και να αυξήσουν δραματικά την επαναχρησιμοποίηση του νερού.
Πολλές βιομηχανικές διεργασίες εξαρτώνται από το διαχωρισμό διαφορετικών ουσιών μεταξύ τους. Αυτές οι διαδικασίες διαχωρισμού είναι απαραίτητες για εργασίες όπως η διύλιση φαρμάκων, η επεξεργασία χρωστικών υφασμάτων και η παραγωγή τροφίμων. Ωστόσο, είναι από τις πιο ενεργοβόρες δραστηριότητες στον τομέα της μεταποίησης, αντιπροσωπεύοντας περίπου το 40% έως 50% της παγκόσμιας βιομηχανικής κατανάλωσης ενέργειας.
Οι περισσότερες εγκαταστάσεις εξακολουθούν να βασίζονται σε παραδοσιακές μεθόδους όπως η απόσταξη και η εξάτμιση. Αν και αποτελεσματικές, αυτές οι μέθοδοι απαιτούν μεγάλες ποσότητες ενέργειας και συμβάλλουν σημαντικά στις εκπομπές άνθρακα. Η διήθηση με βάση τη μεμβράνη θεωρείται γενικά μια πιο καθαρή εναλλακτική λύση, αλλά οι συμβατικές πολυμερείς μεμβράνες έχουν συχνά πόρους ανομοιόμορφου μεγέθους. Με την πάροδο του χρόνου, αυτοί οι πόροι μπορεί να αλλάξουν σχήμα ή να υποβαθμιστούν, μειώνοντας την απόδοση και περιορίζοντας τη χρησιμότητά τους σε απαιτητικά βιομηχανικά περιβάλλοντα.
Εμπνευσμένες από τη φύση POMεμβράνες με πόρους ενός νανομέτρου
«Για να αντιμετωπίσουμε αυτούς τους περιορισμούς, κατασκευάσαμε μια νέα κατηγορία εξαιρετικά επιλεκτικών, κρυσταλλικών μεμβρανών που ονομάζονται «POmbranes», οι οποίες περιέχουν πόρους που έχουν πλάτος περίπου ένα νανόμετρο, χίλιες φορές λεπτότερους από μια ανθρώπινη τρίχα», δήλωσε ο ανώτερος επιστήμονας της CSMCRI Dr Shilpi Kushwaha.
Οι νέες μεμβράνες αντλούν έμπνευση από βιολογικά συστήματα, όπως οι ακουαπορίνες, που ρυθμίζουν την κίνηση των μορίων μέσω καναλιών με ακρίβεια. Για να επιτύχουν αυτό το επίπεδο ελέγχου, οι ερευνητές χρησιμοποίησαν συστάδες πολυοξομεταλικού (POM). Κάθε σύμπλεγμα έχει ένα φυσικό άνοιγμα που έχει πλάτος ακριβώς 1 νανόμετρο και μόνιμα σταθερό.
Σύμφωνα με την κα Priyanka Dobaria, ερευνήτρια του CSMCRI και συν-πρώτο συγγραφέα του άρθρου, “Αυτά τα POM είναι μικροσκοπικά μεταλλικά σμήνη σε σχήμα κορώνας με μόνιμη, τέλεια τρύπα στο κέντρο που δεν αλλάζει ή χάνει σχήμα, που είναι το μεγαλύτερο εμπόδιο με τα παραδοσιακά πλαστικά φίλτρα.”
Κατασκευή υπερλεπτού μοριακού κόσκινου
Η κατασκευή μιας πρακτικής μεμβράνης απαιτεί δισεκατομμύρια από αυτές τις μικροσκοπικές δομές που μοιάζουν με δακτυλίους διατεταγμένες σε συνεχή στρώματα χωρίς ελαττώματα. Για να το πετύχουν αυτό, οι ερευνητές προσάρτησαν εύκαμπτες χημικές αλυσίδες στις συστάδες POM.
Όταν τα τροποποιημένα συμπλέγματα τοποθετούνται στο νερό, διασκορπίζονται φυσικά και οργανώνονται σε ένα εξαιρετικά απλό φιλμ μεγάλης περιοχής. Μεταβάλλοντας το μήκος των συνδεδεμένων αλυσίδων, η ομάδα μπόρεσε να ελέγξει πόσο στενά ήταν συσκευασμένα τα συμπλέγματα μεταξύ τους.
«Αυτό ανάγκασε τα μόρια να διασχίσουν τη μεμβράνη μέσω της μοναδικής ανοιχτής δίοδος, ενός πόρου ενός νανομέτρου που δημιουργήθηκε σε κάθε σύμπλεγμα, επιτρέποντας στη μεμβράνη να λειτουργεί σαν κόσκινο υψηλής τεχνολογίας», πρόσθεσε ο Δρ Raghavan Ranganathan, αναπληρωτής καθηγητής μηχανικής υλικών στο IITGN.
Ο Δρ. Ranganathan και ο Sri Vinay Thakur, διδάκτορας στο IITGN και ο πρώτος συγγραφέας του άρθρου, πραγματοποίησαν επίσης προσομοιώσεις μοριακού επιπέδου που αποκάλυψαν πώς οι μεμβράνες εκτελούν τη λειτουργία φιλτραρίσματος τους.
Περίπου δέκα φορές καλύτερη απόδοση διαχωρισμού
Πειράματα έδειξαν ότι οι μεμβράνες μπορούν να διακρίνουν μόρια που διαχωρίζονται μόνο από 100-200 dalton, ένα επίπεδο ακρίβειας που είναι εξαιρετικά δύσκολο να επιτευχθεί με τις συμβατικές πολυμερείς μεμβράνες.
Σύμφωνα με τον Δρ. Ketan Patel, επικεφαλής επιστήμονα στο CSMCRI, αυτή η ικανότητα θα μπορούσε να δημιουργήσει νέες ευκαιρίες για πιο βιώσιμες διαδικασίες παραγωγής.
«Η μεμβράνη μας δείχνει σχεδόν δέκα φορές καλύτερη απόδοση διαχωρισμού από τις υπάρχουσες τεχνολογίες, ενώ παραμένει ευέλικτη, σταθερή και επεκτάσιμη», είπε.
“Επιπλέον, αυτές οι μεμβράνες είναι εύκαμπτες, σταθερές σε διαφορετικά επίπεδα οξύτητας (εύρη pH) και μπορούν να κατασκευαστούν σε μεγάλα φύλλα. Αυτός ο συνδυασμός είναι απαραίτητος εάν αυτές οι μεμβράνες πρόκειται να υιοθετηθούν ευρέως στη βιομηχανία.”
Πιθανά οφέλη για την ανακύκλωση υφασμάτων και νερού
Η τεχνολογία θα μπορούσε να είναι ιδιαίτερα πολύτιμη για τις κλωστοϋφαντουργικές και φαρμακευτικές βιομηχανίες της Ινδίας, οι οποίες διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην οικονομία της χώρας.
Ο τομέας κλωστοϋφαντουργίας και ένδυσης της Ινδίας συνεισφέρει πάνω από το 2,3% του ΑΕΠ και αντιπροσωπεύει περίπου το 13% της βιομηχανικής παραγωγής. Η εγχώρια αγορά αποτιμάται επί του παρόντος στα 160-225 δισεκατομμύρια δολάρια και αναμένεται να επεκταθεί στα 250-350 δισεκατομμύρια δολάρια μέχρι το 2030.
Οι εργασίες βαφής και φινιρίσματος κλωστοϋφαντουργικών προϊόντων παράγουν μεγάλες ποσότητες μολυσμένων λυμάτων, τα οποία θέτουν συνεχείς προκλήσεις στην αφαίρεση της βαφής και την επαναχρησιμοποίηση του νερού. Οι νέες μεμβράνες μπορούν να αφαιρέσουν επιλεκτικά τα μόρια της βαφής, ενώ επιτρέπουν την ανακύκλωση του νερού, μειώνοντας τόσο τη ζήτηση γλυκού νερού όσο και τα χημικά απόβλητα. Αυτό το όφελος είναι ιδιαίτερα σημαντικό καθώς η αγορά επεξεργασίας λυμάτων της Ινδίας συνεχίζει να αυξάνεται.
Εφαρμογές στη φαρμακοβιομηχανία
Οι μεμβράνες μπορούν επίσης να ωφελήσουν τη φαρμακευτική παραγωγή, όπου οι διαχωρισμοί υψηλής ακρίβειας είναι κρίσιμοι για την ποιότητα του προϊόντος και την αποτελεσματικότητα της παραγωγής.
«Διαδικασίες όπως ο καθαρισμός φαρμάκων και η ανάκτηση διαλυτών είναι ενεργοβόρα και ευαίσθητες στην ποιότητα», σημείωσε ο Σρι Βινάι Ταγκόρ. «Μεμβράνες υψηλής επιλεκτικότητας όπως αυτές μπορούν να μειώσουν την κατανάλωση ενέργειας διατηρώντας παράλληλα τα αυστηρά πρότυπα που απαιτούνται στη φαρμακευτική παραγωγή».
Μια τεχνολογία πλατφόρμας για βιώσιμη παραγωγή
Οι ερευνητές περιγράφουν τις νέες POMembranes ως μια ευέλικτη τεχνολογία πλατφόρμας. Η ρυθμιζόμενη δομή τους, η υψηλή επιλεκτικότητα και η ικανότητά τους να αντέχουν σε σκληρά χημικά περιβάλλοντα τα καθιστούν κατάλληλα για ένα ευρύ φάσμα εργασιών βιομηχανικού διαχωρισμού, από την επεξεργασία λυμάτων έως την προηγμένη χημική παραγωγή.
Καθώς οι βιομηχανίες αναζητούν ολοένα και περισσότερο τεχνολογίες που συνδυάζουν αποτελεσματικότητα, ανθεκτικότητα και βιωσιμότητα, οι μοριακά κατασκευασμένες μεμβράνες μπορεί να γίνουν σημαντικό μέρος των συστημάτων παραγωγής επόμενης γενιάς. Εφαρμόζοντας μια αρχή που απαντάται συνήθως στη βιολογία, τον ακριβή έλεγχο σε μοριακή κλίμακα και την προσαρμογή του σε μια κλιμακούμενη τεχνολογία υλικών, οι ερευνητές έχουν δείξει πώς ο σχεδιασμός εμπνευσμένος από τη φύση μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση μεγάλων βιομηχανικών προκλήσεων.
