Исследователи используют метод очистки воды для улавливания кислот из сельскохозяйственных отходов

Находясь на свалке, сельскохозяйственные отходы содержат источники углерода, которые могут быть использованы для производства ценных соединений, таких как п-кумаровая кислота, которая используется в производстве фармацевтических препаратов. Электродеионизация, метод разделения с использованием ионообменных мембран, является одним из способов улавливания кислот и других полезных компонентов. Однако для получения больших количеств в масштабах страны необходимо усовершенствовать этот метод.

Группа исследователей из штата Пенсильвания изобрела новый класс ионообменных мембранных пластин, 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 журнале ACS Sustainable Chemical Engineering. Их статья также была выбрана для обложки журнала 23 января.

Впервые примененная для очистки воды, электродеионизация в последние годы используется для извлечения ценных компонентов из потоков отходов. В этом процессе поток жидкой смеси подается через стопку из нескольких ионообменных мембран и пластин смолы, которые напоминают губку и удерживаются вместе с помощью полимерного клея. Когда подается электричество, ионы в жидкости проходят через мембрану, и п-кумаровая кислота отделяется в концентрированный технологический поток, где ее затем можно собрать.

"Чтобы улучшить процесс, нам пришлось усовершенствовать смоляные пластины", - говорит автор работы Крис Аргес, доцент кафедры химической инженерии Пенсильванского университета. Ранее мембраны наносились на губку со смоляной пластиной с помощью полиэтиленового клея, который в настоящее время используется в промышленности как "клей" для смолы, но это приводило к плохому контакту между мембраной и смоляной пластиной. Мы заменили полиэтилен на имидазолиевый иономер, тип полимера, и приклеили имидазолиевую мембрану поверх смоляной пластины".

Приклеив мембрану к пластине, исследователи уменьшили количество необходимой мембраны на 30%, что позволило снизить стоимость установки электродеионизации. Новая конструкция также уменьшила межфазное сопротивление между мембраной и пластиной, поскольку одни и те же мембрана и связующее химическое вещество 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 более компактный прибор.

"Мы знали, что новый материал улавливает больше п-кумаровой кислоты, но не были уверены, почему", - сказал Аргес. "Наш соавтор Ревати Кумар провел моделирование, чтобы выяснить, почему он работает лучше".

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

"Умноженные вместе, растворимость и диффузия равны проницаемости, или тому, как быстро мы удаляем кислоту, когда она проходит через мембранную сеть в отсек концентрата", - сказал Арджес.

Аргес сравнил проницаемость со скоростью прохождения путешественников через линию безопасности в аэропорту. Когда добавляется больше пунктов контроля безопасности, больше людей могут проходить через линию, увеличивая ее проницаемость.

Увеличение проницаемости, таким образом, уменьшает вероятность того, что п-кумаровая кислота свяжется с материалами мембранно-смоляных пластин, что называется обрастанием, вместо того, чтобы перемещаться через мембрану.

"Имидазолиевая мембрана со смоляными пластинами способствует прохождению п-кумаровой кислоты через мембрану, что является проблемой при использовании других материалов, например, полиэтилена", - сказал Аргес.

По словам исследователей, при сравнении с текущей конфигурацией смоляных пластин, новая конфигурация мембраны и материалы обеспечивают семикратное увеличение улавливания п-кумаровой кислоты при потреблении на 70% меньше энергии. Новые сборки также уменьшают количество мембран, используемых в процессе, что приводит к значительной экономии средств.

Сотрудники Арджеса из Аргоннской национальной лаборатории подали заявку на патент на новую технологию сборки мембранных пластин.