Los investigadores extraen los hechos del proceso de separación química

El proceso de separación química de la nanofiltración de disolventes orgánicos (OSN) ha sido objeto de gran interés desde su desarrollo hace unas décadas. Esta tecnología innovadora tiene el potencial de revolucionar industrias críticas como las de combustible, alimentos y productos farmacéuticos.

Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Yale y la Universidad de Wisconsin-Madison ha revelado conocimientos innovadores que desafían la comprensión actual de cómo funciona esta tecnología. Este descubrimiento promete mejorar en gran medida la eficacia de OSN.

Los disolventes orgánicos son líquidos versátiles que contienen carbono y oxígeno, como alcoholes, etanol, benceno y cetonas. Utilizando membranas de nanoporos, OSN separa eficazmente diferentes productos químicos. Sus aplicaciones incluyen la separación de hidrocarburos en el refinado de petróleo y la purificación de ingredientes farmacéuticos.

OSN ofrece una alternativa rentable y libre de químicos a las técnicas tradicionales como la destilación, la evaporación y la extracción con solventes. A pesar de su eficacia, el mecanismo subyacente de OSN sigue siendo oscuro. La teoría predominante sugiere que OSN funciona a través de un mecanismo de difusión de solución, donde las moléculas de solvente se disuelven y difunden a través de la membrana desde regiones de mayor concentración a regiones de menor concentración.

En su estudio, Menachem Elimelech de la Universidad de Yale y un equipo de la Universidad de Wisconsin-Madison realizaron experimentos y simulaciones por computadora que desafiaron una teoría de larga data sobre la física de la ósmosis inversa, un método utilizado para desalinizar el agua de mar.

La visión tradicional atribuía la ósmosis inversa a un mecanismo de difusión de la solución, pero la investigación de Elimelech reveló que los cambios de presión dentro de las membranas eran responsables de forzar el agua a través de las membranas, conocido como modelo de flujo de poros.

A partir de sus hallazgos, Elimelek y su equipo de investigación también cuestionaron el pensamiento convencional sobre la nanofiltración de disolventes orgánicos (OSN). A través de experimentos y simulaciones similares, demostraron que el proceso OSN es impulsado por cambios de presión en lugar de por la concentración de moléculas de solvente, al igual que la ósmosis inversa.

Elimelech destacó que una de las pruebas clave es la capacidad de las membranas de solventes orgánicos para permitir el paso de muchas moléculas de solventes mantenidas unidas debido a sus poros grandes.

«Entonces es un bloque». dijo Elimelech, Profesor Sterling de Ingeniería Química y Ambiental. “Una vez que se tiene un solvente en racimo, no puede moverse por difusión. Es necesario tener una fuerza impulsora como la presión.

El estudio también reveló que los disolventes orgánicos, que son más complejos que el agua, interactúan de forma diferente con las membranas poliméricas. La fricción entre el disolvente y la membrana tiene un efecto significativo sobre el caudal del disolvente a través de la membrana. Los investigadores observaron que la fuerza de unión del disolvente a la sustancia está estrechamente relacionada con la velocidad a la que el disolvente atraviesa la membrana. En algunos casos, algunos disolventes orgánicos pueden hacer que el material polimérico se expanda o se comprima al interactuar con él.

Esta comprensión avanzada de la física de la nanofiltración de disolventes orgánicos (OSN) permitirá a los científicos avanzar en la tecnología OSN. Por ejemplo, Elimelec sugirió que estos hallazgos podrían usarse para mejorar el diseño de membranas de filtración, lo que conduciría a una gama más amplia de separaciones y avances en tecnologías de energía limpia.

Ying Li, investigador principal de las simulaciones por ordenador y profesor asociado de ingeniería mecánica en la Universidad de Wisconsin-Madison, destacó la importancia «El papel fundamental de la discrepancia entre el volumen de disolvente y el volumen de poros de la membrana en la determinación de la permeabilidad del disolvente». Durante su investigación.

«El ajuste fino del tamaño de los poros de varias membranas poliméricas densas para aproximar el tamaño molecular de las permeabilidades no deseadas, junto con el uso de un disolvente que posee un tamaño molecular más pequeño, tiene el potencial de lograr separaciones OSN altamente selectivas». para mí Él dijo.

Referencia de la revista:

1. Hanqing Fan, Jinlong He, Mohammad Hiranian, Wei Pan, Ying Li, Menachem Elimelech. Bases físicas del flujo de disolventes en nanofiltración de disolventes orgánicos. Progreso científico, 2024; Identificación digital: 10.1126/sciadv.ado4332