Forscher nutzen Wasseraufbereitungsmethode, um Säuren aus landwirtschaftlichen Abfällen aufzufangen

Sep 08, 2023

UNIVERSITY PARK, PA – Agrarabfälle, die auf der Mülldeponie landen, enthalten Kohlenstoffquellen, die zur Herstellung hochwertiger Verbindungen wie p-Cumarsäure verwendet werden können, die bei der Herstellung von Arzneimitteln verwendet wird. Die Elektroentionisierung, eine Trennmethode unter Verwendung von Ionenaustauschmembranen, ist eine Möglichkeit, Säuren und andere nützliche Komponenten einzufangen. Um jedoch große Mengen im großen Maßstab zu erfassen, müssen Verbesserungen an der Methode vorgenommen werden.

Ein von der Penn State University geleitetes Forschungsteam hat eine neue Klasse von Ionenaustauschmembran-Wafer-Anordnungen erfunden, die die Fähigkeit der Elektroentionisierung, p-Cumarsäure aus flüssigen Mischungen einzufangen, erheblich verbessert und dabei weniger Energie verbraucht und Geld spart.Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse in ACS Sustainable Chemical Engineering. Ihr Artikel wurde auch für das Cover der Zeitschrift vom 23. Januar ausgewählt.

Die Elektroentionisierung wurde zunächst zur Reinigung von Wasser kommerzialisiert und in den letzten Jahren auch zur Gewinnung wertvoller Bestandteile aus Abfallströmen eingesetzt. Dabei wird ein flüssiger Gemischstrom durch einen Stapel aus mehreren Ionenaustauschermembranen und Harzwafern geleitet, die einem Schwamm ähneln und mit einem Polymerkleber zusammengehalten werden. Wenn Strom angelegt wird, bewegen sich die Ionen in der Flüssigkeit durch den Stapel und p-Cumarsäure trennt sich in einen konzentrierten Prozessstrom, wo sie dann gesammelt werden kann.

„Um den Prozess zu verbessern, mussten wir den Harzwafer verbessern“, sagte der korrespondierende Autor Chris Arges, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen an der Penn State University. „Früher waren die Membranen zwischen dem Harzwaferschwamm und einem Polyethylenklebstoff angeordnet, der derzeit in der Industrie als ‚Harzkleber‘ verwendet wird. Dies führte jedoch zu einem schlechten Kontakt zwischen der Membran und dem Harzwafer. Wir haben das Polyethylen durch Imidazoliumionomer ersetzt.“ Art von Polymer und klebte eine Imidazoliummembran auf den Harzwafer.

Durch das Aufkleben der Membran auf den Wafer reduzierten die Forscher die benötigte Membranmenge um 30 Prozent und senkten damit die Kosten für die Elektroentionisierungseinheit. Das neue Design reduzierte auch den Grenzflächenwiderstand zwischen der Membran und dem Wafer, da die gleichen Membran- und Bindemittelchemikalien miteinander verklebt wurden, anstatt mit Luftspalten auf und unter dem Schwamm zu sitzen. Die Verringerung des Widerstands führte zu einer höheren Einfangrate von p-Cumarsäure, sodass Forscher eine kleinere Einheit verwenden konnten.

„Wir wussten, dass das neue Material mehr p-Cumarsäure einfängt, waren uns aber nicht sicher, warum“, sagte Arges. „Unser Mitarbeiter Revati Kumar führte Simulationen durch, um herauszufinden, warum es besser funktionierte.“

Kumar, außerordentlicher Professor für Chemie an der Louisiana State University, fand heraus, dass das Imidazolium die Löslichkeit der p-Cumarsäure erhöht und eine schnellere Diffusion innerhalb des Materials fördert.

„Zusammen multipliziert ergeben Löslichkeit und Diffusion die Permeabilität oder die Geschwindigkeit, mit der wir die Säure entfernen, während sie durch das Membran-Harz-Wafer-Netzwerk in den Konzentratraum gelangt“, sagte Arges.

Arges verglich die Durchlässigkeit mit der Rate der Reisenden, die eine Sicherheitskontrolle am Flughafen passieren. Je mehr Sicherheitskontrollpunkte hinzugefügt werden, desto mehr Menschen können sich durch die Linie bewegen, was die Durchlässigkeit der Linie erhöht.

Eine erhöhte Permeabilität verringert daher die Wahrscheinlichkeit, dass sich die p-Cumarsäure an die Membran-Harz-Wafer-Materialien bindet, was als Fouling bezeichnet wird, anstatt sich über die Membran zu bewegen.

„Die Imidazolium-Membran-Harz-Wafer-Anordnung fördert den Fluss von p-Cumarsäure durch die Membran, was ein Problem darstellt, wenn andere Materialien wie Polyethylen verwendet werden“, sagte Arges.

Im Vergleich zur aktuellen Harz-Wafer-Konfiguration führen die neue Membrankonfiguration und die neuen Materialien laut Forschern zu einer siebenfachen Steigerung der p-Curmarsäure-Abscheidung bei gleichzeitigem 70 Prozent geringerem Energieverbrauch. Die neuen Baugruppen verringern außerdem die Menge der im Prozess verwendeten Membranen, was zu erheblichen Kosteneinsparungen führt.

Die Mitarbeiter von Arges am Argonne National Laboratory meldeten ein Patent für die neuartige Membran-Wafer-Montagetechnologie an.

Zu den Co-Autoren gehören neben Arges und Kumar auch Matthew Jordan von der Louisiana State University; und Grzegorz Kokoszka und Yupo J. Lin,Argonne National Laboratory.

– Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website von Penn State veröffentlicht