تبریز امروز:
براتین سنگوپتا
دکتری کاندیدای مهندسی شیمی و بیولوژیکی، دانشگاه بوفالو
میائو یو
استاد مهندسی شیمی و بیولوژیکی، دانشگاه بوفالو
جداسازی مولکول ها برای تولید بسیاری از محصولات ضروری حیاتی است. به عنوان مثال، در پالایش نفت، هیدروکربن ها - ترکیبات شیمیایی متشکل از هیدروژن و کربن - در نفت خام با دسته بندی آنها بر اساس اندازه مولکولی، شکل و وزن به بنزین، گازوئیل و روان کننده ها تقسیم بندی می شوند. در صنعت داروسازی، مواد موثره موجود در داروها با جداسازی مولکول‌های دارو از آنزیم‌ها، محلول‌ها و سایر اجزای مورد استفاده برای ساخت آنها خالص‌سازی می گردند.
این فرآیندهای جداسازی مقدار قابل توجهی انرژی مصرف می کنند که تقریباً نیمی از مصرف انرژی صنعتی ایالات متحده را تشکیل می دهد. به طور سنتی، جداسازی‌های مولکولی بر روش‌هایی تکیه می‌کنند که نیاز به گرمایش و سرمایش شدید دارند که باعث می‌شود آنها انرژی بسیار ناکارآمدی داشته باشند.
ما مهندس شیمی و بیولوژیک هستیم. در تحقیقات جدید منتشر شده خود، نوع جدیدی از غشاء با نانوحفره‌ها طراحی کردیم که می‌تواند به سرعت و با دقت طیف متنوعی از مولکول‌ها را در شرایط سخت صنعتی جدا کند.
غشاها یکی از روش های شیرین سازی آب هستند.
تکنولوژی غشایی
غشاها موانع فیزیکی هستند که می توانند مولکول ها را در مخلوطی مانند غربال بر اساس اندازه یا میل آنها - مانند بار یا قطبیت - به مواد غشایی جدا کنند. به عنوان مثال، سلول های شما توسط غشایی احاطه شده اند که مواد مغذی را به داخل آن منتقل می کند و سموم را از آن خارج می کند. فناوری غشاء شامل موانع مصنوعی است که می تواند مولکول ها را در مخلوط های صنعتی مهم با هزینه انرژی کمتر نسبت به روش های سنتی جدا کند.
غشاهای موجود در حال حاضر، از جمله غشاهایی که در نمک‌زدایی آب دریا در مقیاس بزرگ استفاده می‌شوند، در دماهای بالا و زمانی که در معرض حلالهای آلی قرار می‌گیرند - مواد شیمیایی مبتنی بر کربن که مواد دیگر را حل می‌کنند، از ناپایداری تحت تاثیر قرار می گیرند. این امر استفاده از غشاها را در بسیاری از جداسازی های صنعتی محدود کرده است.
مواد معدنی پایدارتر هستند و بهتر می توانند در شرایط صنعتی دوام بیاورند. مطالعات قبلی بر ساخت غشاهای معدنی بسیار نازک متمرکز شده‌اند تا به مولکول‌های خاصی اجازه عبور دهند. اما نازکی احتمال ایجاد نقص و سوراخ در غشا را افزایش می دهد و ساخت آن در مقیاس صنعتی دشوار است.
بهبود جداسازی غشا
ما تکنیکی را برای ساخت یک ماده معدنی جدید به نام اکسید فلزی دوپ شده با کربن ایجاد کردیم که می تواند مولکول های آلی کوچکتر از یک نانومتر را جدا کند (برای مقیاس، قطر اتم طلا یک سوم نانومتر است).
با الهام از فناوری موجود که سازندگان برای ساختن نیمه هادی ها از آن استفاده می کنند، به نام رسوب لایه مولکولی، ما با دو واکنش دهنده ارزان قیمت از آن فرآیند کار کردیم و لایه های نازک تولید کردیم. این فیلم‌ها حاوی نانوحفره‌هایی هستند که می‌توانند به طور دقیق برای کنترل جداسازی مولکول‌هایی با قطر 0.6 تا 1.2 نانومتر تنظیم شوند.
نانومواد مانند گرافن اغلب از ورقه هایی از ساختارهای کربنی شش ضلعی ساخته می شوند.
یکی از ویژگی های کلیدی غشای ما این است که می تواند در شرایط سخت مقاومت کند. این غشاها تا 284 درجه فارنهایت (140 درجه سانتیگراد) و فشار تا 30 اتمسفر (حدود 441 پوند بر اینچ مربع) در حضور حلالهای آلی پایدار هستند. این پایداری بسیار مهم است، زیرا بسیاری از فرآیندهای جداسازی صنعتی می‌توانند مقادیر زیادی انرژی را در صورت انجام در دمای بالا ذخیره کنند.
به عنوان یک نمایش، ما از غشای خود در مرحله جداسازی مولکولی در طول ساخت آفت کش بوسکالید استفاده کردیم. با تنظیم اندازه منافذ غشاهایمان برای مطابقت با اندازه مولکول‌های موجود در مخلوط، ما توانستیم هر جزء جداگانه از واکنش‌دهنده، محصول و کاتالیزور را جدا کنیم. به دلیل پایداری غشای خود، ما توانستیم کل فرآیند را در دمای 194 درجه فارنهایت (90 درجه سانتیگراد) انجام دهیم، دمایی که واکنش در آن انجام می شود، و نیازی به کاهش دما در طول سپتامبر را از بین بردیم.
فرآیند آراسیون این می تواند به طور قابل توجهی مصرف انرژی را کاهش دهد و به نوبه خود، ردپای کربن فرآیند صنعتی را کاهش دهد.
ما معتقدیم که غشای ما می‌تواند در بسیاری از فرآیندهای صنعتی مشابه، از جمله مواردی که شامل شرایط سختی است که غشاهای سنتی از کار می‌افتند، استفاده شود، و مطمئن هستیم که می‌توان آن را به سرعت افزایش داد. این می‌تواند دری را برای محققان و تولیدکنندگان باز کند تا از غشاها در کاربردهایی که قبلاً کشف نشده بودند استفاده کنند
برگردان به فارسی آریا فرزان مهر دانشجوی دکتری داروسازی دانشگاه تبریز
منبع
