Een team van onderzoekers van het CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), het Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), de Nanyang Technological University in Singapore en het S N Bose National Centre for Basic Sciences heeft een nieuw type zeer precieze filtratiemembraan ontwikkeld. De studie, gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society, beschrijft een technologie die industrieën kan helpen energieverbruik te verminderen en waterhergebruik drastisch te verhogen.
Veel industriële activiteiten zijn afhankelijk van het scheiden van verschillende stoffen. Deze scheidingsprocessen zijn essentieel voor taken zoals medicijnzuivering, textielverfbehandeling en voedselproductie. Toch behoren ze tot de meest energie-intensieve operaties in de productie, goed voor ongeveer 40% tot 50% van het wereldwijde industriële energieverbruik. De meeste fabrieken vertrouwen nog steeds op traditionele methoden zoals destillatie en verdamping. Hoewel effectief, vereisen deze methoden grote hoeveelheden energie en dragen ze aanzienlijk bij aan koolstofemissies. Membraanfiltratie wordt over het algemeen beschouwd als een schoner alternatief, maar conventionele polymeermembranen bevatten vaak poriën van ongelijke grootte. Na verloop van tijd kunnen die poriën van vorm veranderen of degraderen, wat de prestaties vermindert en hun bruikbaarheid in veeleisende industriële omgevingen beperkt.
"Om deze beperkingen aan te pakken, hebben we een nieuwe klasse van ultra-selectieve, kristallijne membranen ontwikkeld, genaamd 'POMbranes', die poriën bevatten van ongeveer één nanometer breed, duizenden keren dunner dan een mensenhaar," zei Dr. Shilpi Kushwaha, Senior Scientist bij CSMCRI. De nieuwe membranen zijn geïnspireerd op biologische systemen zoals aquaporines, die de beweging van moleculen reguleren via precies afgestemde kanalen. Om dit niveau van controle te bereiken, gebruikten de onderzoekers polyoxometalaat (POM) clusters. Elk cluster bevat een natuurlijke opening die exact 1 nanometer breed is en permanent stabiel blijft. Volgens Ms Priyanka Dobariya, een CSMCRI-onderzoeker en co-eerste auteur van het artikel, "Deze POM's zijn kleine, kroonvormige metaalclusters met een permanent, perfect gat in hun midden dat niet verandert of van vorm verliest, wat het grootste obstakel is bij traditionele plastic filters."
Het creëren van een praktisch membraan vereiste het rangschikken van miljarden van deze kleine ringachtige structuren in een continue, defectvrije laag. Om dit te bereiken, bevestigden de onderzoekers flexibele chemische ketens aan de POM-clusters. Toen de gemodificeerde clusters op water werden geplaatst, verspreidden ze zich van nature en organiseerden ze zich in een dunne film over een groot oppervlak. Door de lengte van de bevestigde ketens te veranderen, kon het team controleren hoe dicht de clusters op elkaar pakten. "Dit dwong moleculen om het membraan te passeren via het enige open pad, de één-nanometer gaten in elk cluster, waardoor het membraan als een high-tech zeef fungeerde," voegde Dr. Raghavan Ranganathan, Associate Professor bij IITGN's Department of Materials Engineering, toe. Dr. Ranganathan en Mr. Vinay Thakur, een PhD-onderzoeker bij IITGN en co-eerste auteur van het artikel, voerden ook simulaties op moleculair niveau uit die onthulden hoe de membranen hun filterfunctie vervullen.
Tests toonden aan dat de membranen onderscheid konden maken tussen moleculen die slechts 100-200 Dalton verschillen, een precisieniveau dat extreem moeilijk te bereiken is met conventionele polymeermembranen. Volgens Dr. Ketan Patel, Principal Scientist bij CSMCRI, zou deze mogelijkheid nieuwe kansen kunnen creëren voor duurzamere productieprocessen. "Onze membranen vertonen bijna tien keer betere scheidingsprestaties in vergelijking met bestaande technologieën, terwijl ze flexibel, stabiel en schaalbaar blijven," zei hij. "Bovendien zijn deze membranen flexibel, stabiel bij verschillende zuurgraadniveaus (pH-bereiken) en kunnen ze in grote vellen worden vervaardigd. Deze combinatie is essentieel als de membranen op grote schaal in de industrie moeten worden toegepast."