注入金屬氧化物的膜可為化學(xué)分離提供低能量替代品
化學(xué)品制造商每年消耗大量的能量來分離和精煉原料，以生產(chǎn)各種各樣的產(chǎn)品，包括汽油，塑料和食品。
為了減少化學(xué)分離中使用的能量，佐治亞理工學(xué)院的研究人員正在開發(fā)能夠在不使用能量密集型蒸餾工藝的情況下分離化學(xué)品的膜。
“各種行業(yè)中絕大多數(shù)的分離都是熱驅(qū)動系統(tǒng)，如蒸餾，因此我們在這些分離過程中花費了大量的能量 - 比如全球能源的10%到15%預(yù)算用于化學(xué)分離，“佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院副教授Ryan Lively說。“避免使用熱量和化學(xué)相變的分離能源強度要小得多。實際上，使用它們可以使能源成本降低90%。”
塑料膜已經(jīng)能夠根據(jù)尺寸和其他差異分離某些分子，例如在海水淡化中。但到目前為止，大多數(shù)膜已經(jīng)無法承受苛刻的富含溶劑的化學(xué)物流，同時還能執(zhí)行具有挑戰(zhàn)性的分離任務(wù)。
在7月18日發(fā)表于“材料化學(xué)”并由國防部和國家科學(xué)基金會贊助的一項研究中，研究人員概述了采用聚合物膜并將其注入金屬氧化物網(wǎng)絡(luò)的過程。得到的膜在抵抗刺激性化學(xué)品方面更有效，而不會降解。
“將預(yù)制膜放入反應(yīng)器內(nèi)后，我們只需將其暴露在含有金屬的蒸汽中，這些蒸汽將自身注入膜材料中，”材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授Mark Losego說。“這個過程稱為氣相滲透，它在整個聚合物膜上形成一個均勻的金屬氧化物網(wǎng)絡(luò)。我們稱之為'混合'膜。”
Ryan Lively，喬治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院副教授和Mark Losego，材料科學(xué)與工程學(xué)院助理教授學(xué)分：Rob Felt
不僅混合膜能夠更好地耐受溶劑，其化學(xué)分離能力也得到改善。
“一些需要分離的化學(xué)品在尺寸，形狀和其他性質(zhì)方面非常相似，這使得使用膜更難加工，”Lively說。“這些新型雜化膜具有更高的選擇性。它們可以分離出彼此更相似的化學(xué)物質(zhì)。”
研究小組包括研究生張鳳儀，艾米莉麥吉尼斯和姚馬，用四氫呋喃，二氯甲烷和氯仿等有害溶劑，在幾分鐘內(nèi)溶解純聚合物膜的有機溶劑，測試了新的混合膜。在測試期間，雜化膜保持穩(wěn)定數(shù)月。
研究人員還測試了將兩種化學(xué)物質(zhì)分離得非常接近?；旌夏つ軌?qū)⒊叽绮煌姆枷惴肿訁^(qū)分為0.2納米。
“這項工作最令人興奮的事情之一就是從制造的角度來看這個過程是多么簡單，”Losego說。“我們基本上采用預(yù)制膜并對其進(jìn)行處理。這可以很容易地轉(zhuǎn)化為工業(yè)規(guī)模。”
關(guān)于膜的未來研究將涉及如何微調(diào)氧化物輸注并制造能夠分離各種其他化學(xué)品的新型混合膜。
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