Исследователи используют метод очистки воды для улавливания кислот из сельскохозяйственных отходов

May 14, 2023

УНИВЕРСИТИ-ПАРК, Пенсильвания. Сельскохозяйственные отходы, отправляемые на свалку, содержат источники углерода, которые можно использовать для производства ценных соединений, таких как п-кумаровая кислота, которая используется в производстве фармацевтических препаратов. Электродеионизация, метод разделения, в котором используются ионообменные мембраны, является одним из способов улавливания кислот и других полезных компонентов. Однако для сбора больших количеств в масштабе необходимо усовершенствовать метод.

Исследовательская группа под руководством Пенсильванского университета изобрела новый класс пластин с ионообменными мембранами, которые значительно улучшают способность электродеионизации улавливать п-кумаровую кислоту из жидких смесей, потребляя при этом меньше энергии и экономя деньги.Исследователи опубликовали свои результаты в области устойчивого химического машиностроения ACS. Их статья также была выбрана для обложки журнала от 23 января.

Электроионизация, впервые коммерциализированная для очистки воды, в последние годы стала использоваться для улавливания ценных компонентов из потоков отходов. При этом поток жидкой смеси подается через стопку из нескольких ионообменных мембран и пластин смолы, которые напоминают губку и скреплены полимерным клеем. При подаче электричества ионы жидкости движутся через стопку, а п-кумаровая кислота выделяется в концентрированный технологический поток, где ее затем можно собрать.

«Чтобы улучшить процесс, нам пришлось усовершенствовать пластину из смолы», — сказал корреспондент Крис Арджес, доцент кафедры химического машиностроения штата Пенсильвания. «Раньше мембраны соединялись между собой губкой из смолы и полиэтиленовым клеем, который в настоящее время используется в промышленности в качестве «клея» из смолы, но это приводило к плохому контакту между мембраной и пластиной из смолы. Мы заменили полиэтилен иономером имидазолия, тип полимера и приклеил имидазолиевую мембрану поверх пластины из смолы».

Приклеив мембрану к пластине, исследователи сократили количество необходимой мембраны на 30 процентов, снизив стоимость установки электродеионизации. Новый дизайн также уменьшил межфазное сопротивление между мембраной и пластиной, поскольку мембрана и связующее вещества одного и того же состава были склеены вместе, а не располагались сверху и снизу губки с воздушными зазорами. Снижение сопротивления привело к увеличению скорости улавливания п-кумаровой кислоты, что позволило исследователям использовать единицу меньшего размера.

«Мы знали, что новый материал улавливает больше п-кумаровой кислоты, но не знали, почему», — сказал Арджес. «Наш сотрудник Ревати Кумар провел моделирование, чтобы выяснить, почему это работает лучше».

Кумар, доцент кафедры химии Университета штата Луизиана, обнаружил, что имидазолий увеличивает растворимость п-кумаровой кислоты и ускоряет диффузию внутри материала.

«В сумме растворимость и диффузия равны проницаемости, или тому, насколько быстро мы удаляем кислоту, когда она проходит через сетку пластин из мембранной смолы в отсек для концентрата», — сказал Арджес.

Арджес сравнил пропускную способность со скоростью путешественников, проходящих через линию досмотра в аэропорту. По мере добавления дополнительных контрольно-пропускных пунктов через линию может перемещаться больше людей, что увеличивает ее проницаемость.

Таким образом, повышенная проницаемость снижает вероятность связывания п-кумаровой кислоты с материалами пластины из мембранной смолы, что называется загрязнением, вместо того, чтобы перемещаться через мембрану.

«Узел пластины из имидазолиевой мембранной смолы 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 нынешней конфигурацией полимерных пластин новая конфигурация мембраны и материалы приводят к семикратному увеличению улавливания п-курмаровой кислоты при использовании на 70 процентов меньше энергии. Новые сборки также уменьшают количество мембран, используемых в процессе, что приводит к значительной экономии затрат.

Сотрудники Арджеса из Аргоннской национальной лаборатории подали заявку на патент на новую технологию сборки мембраны и пластины.