La tecnología podría reducir los costos de fabricación de productos farmacéuticos, agroquímicos y otros productos al facilitar la separación de moléculas.
La industria ha dependido durante mucho tiempo de procesos que consumen mucha energía, como la destilación y la cristalización, para separar moléculas que en última instancia sirven como ingredientes en medicamentos, productos químicos y otros productos.
Separación de moléculas: las imágenes de arriba detallan cómo se forma la membrana. Las tres imágenes verticales de la izquierda muestran los enlaces entre el tetracloruro de titanio (reactivo metálico) y el etilenglicol (reactivo orgánico). La imagen central muestra cómo se combinan los dos materiales. Las imágenes del lado derecho muestran la membrana sin poros (OHF denso) y la membrana después de que se ha eliminado el carbono para crear poros (CDTO poroso). Crédito de la imagen: Universidad de Buffalo.
En las últimas décadas, ha habido un impulso para sustituir estos procesos por membranas, una alternativa potencialmente más económica y respetuosa con el medio ambiente. Desafortunadamente, la mayoría de las membranas están hechas de polímeros que se degradan durante el uso, lo que las hace poco prácticas.
Para resolver este problema, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Buffalo ha creado una membrana nueva y más resistente que puede soportar entornos hostiles (altas temperaturas, alta presión y disolventes químicos complejos) asociados con los procesos de separación industrial.
Hecho de un material inorgánico llamado óxido metálico dopado con carbono, se describe en un estudio publicado en Science.
«Los procesos de separación de moléculas, ya sea para la desalinización del agua, la producción de medicamentos o fertilizantes, utilizan una cantidad increíble de energía», dice el autor correspondiente del estudio, Miao Yu, PhD, profesor de Innovación SUNY Empire en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica. en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Buffalo.
«Lo que hemos desarrollado es una técnica para fabricar fácilmente membranas fuertes y libres de defectos que tienen nanoporos rígidos que pueden controlarse con precisión para permitir el paso de moléculas de diferentes tamaños», agrega Yu, miembro principal de la facultad del Instituto RENEW de la UB.
Los primeros autores del estudio son Bratin Sengupta, estudiante de doctorado en el laboratorio de Yu, y Qiaobei Dong, PhD, que estudió con Yu y ahora trabaja en GTI Energy.
Separación de moléculas: inspiración de la fabricación de semiconductores
Para crear la membrana, el equipo de investigación se inspiró en dos técnicas de fabricación comunes, pero no relacionadas.
La primera es la deposición de capas moleculares, que implica la colocación de capas de películas delgadas de materiales y que a menudo se asocia con la producción de semiconductores. La segunda técnica es la polimerización interfacial, que es un método de combinación de sustancias químicas que se utiliza comúnmente para crear pilas de combustible, sensores químicos y otros componentes electrónicos.
«Estos métodos no son nuevos», dice Sengupta, «pero sí lo es la forma en que los aplicamos, y esa es la clave para crear nuestras nuevas membranas nanoporosas».
En experimentos, los investigadores fusionaron dos reactivos de bajo costo (etilenglicol líquido y tetracloruro de titanio gaseoso) sobre un soporte a base de aluminio. En cuestión de minutos, la reacción creó una película delgada.
Para crear los nanoporos, aplicaron calor a la película. El calor quema el carbono, creando pequeños agujeros microscópicos por los que pasan las moléculas. El tamaño de los nanoporos puede oscilar entre 0,6 y 1,2 nanómetros de diámetro, según lo determinado por el entorno del gas de calcinación, así como por la cantidad y duración del calor.
BUFFALO, NY – La industria ha dependido durante mucho tiempo de procesos que consumen mucha energía, como la destilación y la cristalización, para separar moléculas que en última instancia sirven como ingredientes en medicamentos, productos químicos y otros productos.
En las últimas décadas, ha habido un impulso para sustituir estos procesos por membranas, que son potencialmente una alternativa ecológica y de menor costo. Desafortunadamente, la mayoría de las membranas están hechas de polímeros que se degradan durante el uso, lo que las hace poco prácticas.
Para resolver este problema, un equipo de investigación dirigido por la Universidad de Buffalo ha creado una membrana nueva y más resistente que puede soportar entornos hostiles (altas temperaturas, alta presión y disolventes químicos complejos) asociados con los procesos de separación industrial.
Hecho de un material inorgánico llamado óxido metálico dopado con carbono, se describe en un estudio publicado el 7 de septiembre en Science.
«Los procesos de separación de moléculas, ya sea para la desalinización del agua, la producción de medicamentos o fertilizantes, utilizan una cantidad increíble de energía», dice el autor correspondiente del estudio, Miao Yu, PhD, profesor de Innovación SUNY Empire en el Departamento de Ingeniería Química y Biológica. en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de la Universidad de Buffalo.
«Lo que hemos desarrollado es una técnica para fabricar fácilmente membranas fuertes y libres de defectos que tienen nanoporos rígidos que pueden controlarse con precisión para permitir el paso de moléculas de diferentes tamaños», agrega Yu, miembro principal de la facultad del Instituto RENEW de la UB.
Los primeros autores del estudio son Bratin Sengupta, estudiante de doctorado en el laboratorio de Yu, y Qiaobei Dong, PhD, que estudió con Yu y ahora trabaja en GTI Energy.
Inspirado en los semiconductores
Para crear la membrana, el equipo de investigación se inspiró en dos técnicas de fabricación comunes, pero no relacionadas.
La primera es la deposición de capas moleculares, que implica la colocación de capas de películas delgadas de materiales y que a menudo se asocia con la producción de semiconductores. La segunda técnica es la polimerización interfacial, que es un método de combinación de sustancias químicas que se utiliza comúnmente para crear pilas de combustible, sensores químicos y otros componentes electrónicos.
«Estos métodos no son nuevos», dice Sengupta, «pero sí lo es la forma en que los aplicamos, y esa es la clave para crear nuestras nuevas membranas nanoporosas».
En experimentos, los investigadores fusionaron dos reactivos de bajo costo (etilenglicol líquido y tetracloruro de titanio gaseoso) sobre un soporte a base de aluminio. En cuestión de minutos, la reacción creó una película delgada.
Para crear los nanoporos, aplicaron calor a la película. El calor quema el carbono, creando pequeños agujeros microscópicos por los que pasan las moléculas. El tamaño de los nanoporos puede oscilar entre 0,6 y 1,2 nanómetros de diámetro, según lo determinado por el entorno del gas de calcinación, así como por la cantidad y duración del calor.
El método permite a los investigadores evitar un problema persistente (pequeños agujeros que se fusionan con otros más grandes, haciéndolos más porosos de lo previsto) al crear membranas a base de polímeros.
Potencial para reducir la huella de carbono
Cuando se expone a solventes orgánicos, la nueva membrana puede soportar temperaturas de hasta 284 F (140 C) y presiones de hasta 30 atmósferas.
Estos atributos son clave porque permiten que la membrana separe moléculas a altas temperaturas (para que la mayoría de las membranas poliméricas funcionen, se debe reducir la temperatura de los solventes, lo cual es costoso desde el punto de vista energético).
«Desde este punto de vista, nuestra membrana tiene el potencial de reducir la huella de carbono de muchos procesos industriales», afirma Yu.
Para demostrar la eficacia de la membrana, el equipo demostró que podía separar boscalid, un fungicida utilizado para proteger cultivos, de su catalizador y reactivo inicial. Todo el proceso ocurrió a 194 F.
El equipo está planeando experimentos adicionales para demostrar que la membrana se puede ampliar para productos comerciales. Yu planea iniciar una empresa para promover la viabilidad comercial de la tecnología.
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