Сельскохозяйственные отходы, направляемые на свалку, содержат источники углерода, которые можно использовать для производства ценных соединений, таких как п-кумаровая кислота, используемая в производстве фармацевтических препаратов. Электродеионизация, метод разделения, в котором используются ионообменные мембраны, является одним из способов улавливания кислот и других полезных компонентов. Однако для захвата больших количеств в масштабе метод необходимо усовершенствовать.
Исследовательская группа под руководством штата Пенсильвания изобрела новый класс ионообменных мембранных пластин, которые значительно улучшают способность электродеионизации улавливать п-кумаровую кислоту из жидких смесей при меньшем потреблении энергии и экономии денег. Исследователи опубликовали свои результаты в журнале ACS Sustainable Chemical Engineering . Их статья также была выбрана для обложки журнала от 23 января.
Электроионизация, впервые коммерциализированная для очистки воды, в последние годы использовалась для улавливания ценных компонентов из потоков сточных вод. При этом поток жидкой смеси подается через стопку из нескольких ионообменных мембран и смоляных пластин, которые напоминают губку и скрепляются полимерным клеем. При подаче электричества ионы в жидкости проходят через стопку, и п-кумаровая кислота выделяется в концентрированный технологический поток, откуда ее затем можно собрать.
«Чтобы улучшить процесс, нам пришлось усовершенствовать пластину из смолы», — сказал соответствующий автор Крис Арджес, доцент кафедры химического машиностроения штата Пенсильвания. «Раньше мембраны соединяли губку из смоляной пластины с полиэтиленовым клеем, который в настоящее время используется в промышленности в качестве смоляного «клея», но это приводило к плохому контакту между мембраной и смоляной пластиной. Мы заменили полиэтилен иономером имидазолия, тип полимера и приклеил имидазолиевую мембрану поверх пластины из смолы».
Приклеивая мембрану к пластине, исследователи уменьшили количество необходимой мембраны на 30%, уменьшив стоимость установки электродеионизации. Новая конструкция также уменьшила межфазное сопротивление между мембраной и пластиной, поскольку одни и те же химические вещества мембраны и связующего были склеены вместе, а не располагались сверху и снизу губки с воздушными зазорами. Снижение сопротивления привело к увеличению скорости захвата п-кумаровой кислоты, что позволило исследователям использовать меньшую единицу.
«Мы знали, что новый материал улавливает больше п-кумаровой кислоты, но не знали, почему», — сказал Арджес. «Наш сотрудник Ревати Кумар провел симуляции, чтобы выяснить, почему это работает лучше».
Кумар, доцент кафедры химии Университета штата Луизиана, обнаружил, что имидазолий повышает растворимость п-кумаровой кислоты и ускоряет диффузию в материале.
«Помноженные вместе, растворимость и диффузия равны проницаемости, или тому, как быстро мы удаляем кислоту, когда она проходит через сеть пластин мембранной смолы в отсек для концентрата», — сказал Арджес.
Арджес сравнил проницаемость со скоростью путешественников, проходящих через линию безопасности в аэропорту. По мере добавления дополнительных контрольно-пропускных пунктов через линию может проходить больше людей, что увеличивает ее проницаемость.
Таким образом, повышенная проницаемость снижает вероятность связывания п-кумаровой кислоты с материалами мембранно-смоляных вафель, известного как загрязнение, вместо перемещения через мембрану.
«Сборка вафельной пластины из имидазолиевой мембраны способствует прохождению п-кумаровой кислоты через мембрану, что является проблемой при использовании других материалов, таких как полиэтилен», — сказал Арджес.
По словам исследователей, при сравнении с текущей конфигурацией полимерной пластины новая конфигурация мембраны и материалы приводят к семикратному увеличению захвата п-курмаровой кислоты при использовании на 70% меньше энергии. Новые узлы также уменьшают количество мембраны, используемой в процессе, что приводит к значительной экономии средств.
Сотрудники Арджеса из Аргоннской национальной лаборатории подали заявку на патент на новую технологию сборки мембраны- пластины .
Комментарии
Отправить комментарий