O echipă de cercetători de la CSIR-Central Salt and Marine Chemicals Research Institute (CSMCRI), Indian Institute of Technology Gandhinagar (IITGN), Nanyang Technological University din Singapore și S N Bose National Centre for Basic Sciences 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 crească dramatic reutilizarea apei.

Multe activități industriale depind de separarea diferitelor substanțe unele de altele. Aceste procese de separare sunt esențiale pentru sarcini precum purificarea medicamentelor, tratarea coloranților textile și producția de alimente. Cu toate acestea, ele sunt și printre cele mai intensive operațiuni energetice din producție, 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 pe bază de membrană este în general considerată o alternativă mai curată, dar membranele polimerice convenționale conțin adesea pori de dimensiuni inegale. În timp, acești pori își pot schimba forma sau se pot degrada, reducând performanța și limitând utilitatea lor în medii industriale solicitante.

„Pentru a aborda aceste limitări, am proiectat o nouă clasă de membrane cristaline ultra-selective numite „POMbrane”, care conțin pori de aproximativ un nanometru lățime, 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 sisteme biologice precum aquaporinele, care reglează mișcarea moleculelor prin canale de dimensiuni precise. Pentru a atinge acest nivel de control, cercetătorii au folosit clustere de polioxometalat (POM). Fiecare cluster conține o deschidere naturală care are exact 1 nanometru lățime și rămâne permanent stabilă. Potrivit doamnei Priyanka Dobariya, cercetător la CSMCRI și co-primul autor al articolului, „Aceste POM-uri sunt clustere metalice minuscule, în formă de coroană, care au o gaură perfectă și permanentă în centru, care nu se schimbă sau nu își pierde forma, ceea ce este cel mai mare obstacol cu filtrele tradiționale din plastic.”

Crearea unei membrane practice a necesitat aranjarea a miliarde de aceste structuri minuscule asemănătoare inelelor într-un strat continuu, fără defecte. Pentru a realiza acest lucru, cercetătorii au atașat lanțuri chimice flexibile clusterelor POM. Când clusterele modificate au fost plasate pe apă, s-au răspândit și s-au organizat natural într-un film ultra-subțire de suprafață mare. Schimbând lungimea lanțurilor atașate, echipa a putut controla cât de strâns se împachetează clusterele. „Acest lucru a forțat moleculele să traverseze membrana doar prin singura cale deschisă, găurile de un nanometru construite în fiecare cluster, permițând membranei să acționeze ca o sită de înaltă tehnologie”, a adăugat Dr. Raghavan Ranganathan, profesor asociat la Departamentul de Inginerie a Materialelor de la IITGN. Dr. Ranganathan și domnul Vinay Thakur, doctorand la IITGN și co-primul autor al articolului, au efectuat, de asemenea, simulări la nivel molecular care au dezvăluit cum membranele își îndeplinesc funcția de filtrare.

Testele au arătat că membranele pot distinge între molecule care diferă cu doar 100-200 daltoni, un nivel de precizie extrem de dificil de atins cu membranele polimerice convenționale. Potrivit Dr. Ketan Patel, cercetător principal la CSMCRI, această capacitate ar putea crea noi oportunități pentru procese de fabricație mai sustenabile. „Membranele noastre arată o performanță de separare de aproape zece ori mai bună comparativ cu tehnologiile existente, rămânând în același timp flexibile, stabile și scalabile”, a spus el. „În plus, aceste membrane sunt flexibile, stabile în diferite niveluri de aciditate (pH) și pot fi fabricate în foi mari. Această combinație este esențială dacă membranele urmează să fie adoptate pe scară largă în industrie.”

Tehnologia