CSIR-Central Tuz ve Deniz Kimyasalları Araştırma Enstitüsü (CSMCRI), Hindistan Teknoloji Enstitüsü Gandhinagar (IITGN), Singapur'daki Nanyang Teknoloji Üniversitesi ve S N Bose Ulusal Temel Bilimler Merkezi'nden bir araştırma ekibi, yeni bir tür yüksek hassasiyetli filtrasyon membranı geliştirdi. Journal of the American Chemical Society'de yayınlanan çalışma, endüstrilerin enerji kullanımını azaltmasına ve su geri dönüşümünü önemli ölçüde artırmasına yardımcı olabilecek bir teknolojiyi anlatıyor.

Birçok endüstriyel faaliyet, farklı maddeleri birbirinden ayırmaya dayanır. Bu ayırma işlemleri, ilaç saflaştırma, tekstil boyası arıtma ve gıda üretimi gibi görevler için gereklidir. Ancak aynı zamanda üretimdeki en enerji yoğun operasyonlar arasındadır ve küresel endüstriyel enerji tüketiminin yaklaşık %40 ila %50'sini oluşturur. Çoğu tesis hala damıtma ve buharlaştırma gibi geleneksel yöntemlere güvenmektedir. Etkili olsalar da, bu yöntemler büyük miktarda enerji gerektirir ve karbon emisyonlarına önemli ölçüde katkıda bulunur. Membran bazlı filtrasyon genellikle daha temiz bir alternatif olarak kabul edilir, ancak geleneksel polimer membranlar genellikle eşit olmayan boyutlarda gözenekler içerir. Zamanla, bu gözenekler şekil değiştirebilir veya bozulabilir, performansı düşürebilir ve zorlu endüstriyel ortamlarda kullanışlılıklarını sınırlayabilir.

"Bu sınırlamaları gidermek için, 'POMbranes' adı verilen yeni bir ultra-seçici, kristal membran sınıfı geliştirdik. Bu membranlar, insan saçından binlerce kat daha ince, yaklaşık bir nanometre genişliğinde gözenekler içeriyor," dedi CSMCRI Kıdemli Bilim İnsanı Dr. Shilpi Kushwaha. Yeni membranlar, moleküllerin hassas boyutlu kanallardan hareketini düzenleyen aquaporinler gibi biyolojik sistemlerden ilham alıyor. Bu kontrol seviyesine ulaşmak için araştırmacılar polioksimetalat (POM) kümeleri kullandı. Her küme, doğal olarak oluşan ve tam olarak 1 nanometre genişliğinde olan ve kalıcı olarak stabil kalan bir açıklık içeriyor. CSMCRI araştırma görevlisi ve makalenin ortak ilk yazarı Bayan Priyanka Dobariya'ya göre, "Bu POM'lar, merkezlerinde değişmeyen veya şeklini kaybetmeyen kalıcı, mükemmel bir deliğe sahip minik, taç şeklinde metal kümeleridir; bu, geleneksel plastik filtrelerdeki en büyük engeldir."

Pratik bir membran oluşturmak, bu minik halka benzeri yapılardan milyarlarcasını sürekli, hatasız bir katman halinde düzenlemeyi gerektiriyordu. Bunu başarmak için araştırmacılar, POM kümelerine esnek kimyasal zincirler ekledi. Modifiye edilmiş kümeler suya yerleştirildiğinde, doğal olarak yayıldı ve kendilerini geniş alanlı ultra ince bir film halinde organize etti. Eklenen zincirlerin uzunluğunu değiştirerek ekip, kümelerin ne kadar sıkı paketlendiğini kontrol edebildi. "Bu, molekülleri membrandan geçmeye zorlayarak, her kümede bulunan bir nanometrelik deliklerden geçmelerini sağladı ve membranın yüksek teknolojili bir elek gibi davranmasına izin verdi," diye ekledi IITGN Malzeme Mühendisliği Bölümü Doçent Dr. Raghavan Ranganathan. Dr. Ranganathan ve IITGN'de doktora öğrencisi ve makalenin ortak ilk yazarı Bay Vinay Thakur ayrıca, membranların filtreleme işlevini nasıl gerçekleştirdiğini ortaya koyan moleküler düzeyde simülasyonlar gerçekleştirdi.

Testler, membranların yalnızca 100-200 Dalton farklı olan molekülleri ayırt edebildiğini gösterdi; bu, geleneksel polimer membranlarla elde edilmesi son derece zor bir hassasiyet seviyesidir. CSMCRI Baş Bilim İnsanı Dr. Ketan Patel'e göre, bu yetenek daha sürdürülebilir üretim süreçleri için yeni fırsatlar yaratabilir. "Membranlarımız, mevcut teknolojilere kıyasla neredeyse on kat daha iyi ayırma performansı gösteriyor, aynı zamanda esnek, kararlı ve ölçeklenebilir kalıyor," dedi. "Ayrıca, bu membranlar esnek, farklı asitlik seviyelerinde (pH aralıkları) kararlı ve büyük tabakalar halinde üretilebilir. Bu kombinasyon, membranların endüstride yaygın olarak benimsenmesi için gereklidir."