מומסים בקנה מידה ננו עם הבדלים קלים בלבד בגודל יכולים להיות מופרדים על ידי ממברנות עם נקבוביות זהות – אם יש להם מספיק הזדמנויות לנסות. קרדיט: Argonne National Laboratory
מדענים פיתחו טכניקה חדשה להתגבר על המגבלות הנתפסות של ממברנות עם נקבוביות בגודל אחיד
מחקר עדכני על ממברנות איזופוריות, הכוללות נקבוביות בגודל אחיד, מראים פוטנציאל לשיפור הדיוק והיעילות של תהליכי הפרדה תעשייתיים על ידי מתן אפשרות לממסים ניסיונות מרובים לעבור דרך הנקבוביות.
תארו לעצמכם משחק כדורסל צמוד שמגיע עד לזריקה האחרונה. הסבירות שהכדור יעבור דרך החישוק עשויה להיות נמוכה למדי, אך היא תגדל באופן דרמטי אם ניתנה לשחקן ההזדמנות לירות בו שוב ושוב.
רעיון דומה פועל בתחום המדעי של הפרדות ממברנות, תהליך מרכזי מרכזי בתעשיות הכוללות כל דבר, מביוטכנולוגיה ועד פטרוכימיה, טיפול במים ועד מזון ומשקאות.
"ההפרדות נמצאות בלב כל כך הרבה מהמוצרים שאנו משתמשים בהם בחיי היומיום שלנו", אמר סת' דרלינג, ראש המרכז לחומרים מתקדמים למערכות מים אנרגיה (AMEWS) במעבדה הלאומית של משרד האנרגיה של ארה"ב (DOE). "הממברנות הן המפתח להשגת הפרדות יעילות."
אתגרים עם ממברנות מסחריות
תהליכים מסחריים רבים משתמשים בממברנות כדי להפריד גדלים שונים של מומסים, שהם חומרים המומסים במים או בנוזלים אחרים. כמעט כל הממברנות המסחריות הן polydisperse, מה שאומר שגודל הנקבוביות שלהם אינו עקבי. עבור ממברנות אלה, זה כמעט בלתי אפשרי לבצע הפרדה חדה של חומרים מכיוון שגדלים שונים של מומסים יכולים להיכנס דרך נקבוביות שונות. "בעצם לכל הממברנות המסחריות, לכל הממברנות המשמשות למעשה לכל דבר, יש מגוון רחב של גדלי נקבוביות – נקבוביות קטנות, נקבוביות בינוניות ונקבוביות גדולות", אמר דרלינג.
דרלינג ועמיתיו ב-Argonne ובית הספר להנדסה מולקולרית פריצקר ב- אוניברסיטת שיקגו התעניינו במאפיינים של ממברנות איזופוריות, שהן ממברנות שבהן כל הנקבוביות באותו גודל. בעבר, מדענים האמינו שיש גבול לחדות ההפרדות שהם יכולים להשיג ב- ננומטרילא רק בגלל שינויים בגודל הנקבוביות, אלא גם בגלל תופעה שנקראת "הובלה מופרעת".
הובלה מופרעת מתייחסת להתנגדות הפנימית של המדיום הנוזל כאשר המומס מנסה לעבור דרך הנקבובית.
התגברות על הובלה מופרעת
"המים בנקבוביות ייצרו גרר על מולקולה או חלקיק שמנסה לחדור דרכה, ויגרום לה להאט", אמר דרלינג. "נראה שהמומסים האיטיים יותר נדחים על ידי הממברנה. באופן מנוגד לאינטואיציה, חפצים אפילו בגודל חצי מהנקבובית בסופו של דבר יידחו בערך במחצית מהזמן". התגברות על דחייה שנוצרה על ידי הובלה מעוכבת תאפשר סלקטיביות חסרת תקדים בהפרדות מבוססות גודל, הוא הסביר.
"המשטר שאנו מעוניינים בו כולל נקבוביות בקוטר של כ-10 ננומטר. עם ממברנה מושלמת ותכנון תהליך נכון, אנו מאמינים שנוכל להפריד מומסים עם הבדל קטן של חמישה אחוזים בגודלם. לממברנות הנוכחיות אין שום סיכוי להוציא את זה", אמר דרלינג.
במחקר חדש, דרלינג ועמיתיו חשפו דינמיקה שניתן לחשוף רק על ידי מחקר של ממברנות איזופוריות, וזו נותנת תקווה להתגבר על מגבלות התחבורה המעורבות. "עד עכשיו, מדענים הניחו באופן מרומז שכל מומס מקבל רק ניסיון אחד לעבור דרך נקבובית, ושהובלה מעוכבת תיצור דחייה של מומסים רבים שהיו קטנים מגודל הנקבוביות, מה שיגרום להם להישאר בזרם ההזנה ולא זרם הפלט", הוסיף דרלינג. "למרות שזה עשוי להיראות מובן מאליו לחלקם, אנשים מעולם לא שקלו באמת מצב שבו המומסים יכולים לעשות ניסיונות מרובים לעבור דרך קרום."
כדי לתת למולקולות המומסות הזדמנויות מרובות לעבור את הנקבובית נדרשת מחזור בתמיסת ההזנה במשך מספר שבועות. "אפילו עם תקופה ממושכת של ניסויים, אנחנו עדיין רואים רק מומסים בודדים שמנסים לעבור דרך נקבובית כמה פעמים בממוצע, אבל זה עושה הבדל גדול בהזזת עקומת ההפרדה לעבר פונקציה חדה יותר דמוית צעד, "אמרה דרלינג. "בהינתן זמן ארוך יותר, או סביר יותר לתכנון תהליך משופר, אנו מאמינים שנראה הפרדה ברורה וחדה בדיוק במקום בו גודל הנקבוביות תואם לגודל המומס."
התובנות שנלמדו מממברנות איזופוריות יכולות להיות מיושמות לחומרי ממברנה קיימים שתוכננו כדי להגדיל את מספר ההזדמנויות של מומסים לעבור דרך הנקבוביות. "אם ניתן להעביר בהצלחה את המחקרים הבסיסיים הללו להפרדות ממברנות תעשייתיות, עשויה להיות לכך השפעה עצומה על פני מגזרים רבים בכלכלה שלנו", אמר.
העבודה נתמכה על ידי המשרד למדעי האנרגיה הבסיסיים של DOE.
