به گزارش اطلاعات آنلاین، فرایندهای فیلتراسیون غشایی که مواد آلاینده را از هوایی که تنفس می کنیم و آبی که می نوشیم جدا می کنند امروزه بسیار رایج شده اند. با این حال، فناوری های غشایی انگشت شماری برای جداسازی هیدروکربن ها و مواد ارگانیک دیگر طراحی و ساخته شده اند.  

مهندسان شیمی دانشگاه پنسیلوانیا، ساخت غشاهایی را به منظور جداسازی مواد ارگانیک با بهره وری انرژی (energy efficiency) آغاز کرده اند. رویکرد آنها شامل تمرکز روی ساختار فیزیکی در مقیاس نانو است.

نانوفیلتراسیون با استفاده از غشای خودسامان (self-assemble) گستره پژوهشی بزرگی را به خود اختصاص داده است. ایجاد تغییر در ساختار این نوع غشاءِ تفکیک کننده به بهینه سازی عملکرد آن کمک می کند.

پژوهشگران از غشاء خودسامان برای فیلتراسیون محلول های ارگانیک مانند اتانول و ایزوپروپیل الکل استفاده کرده اند. مولکول های خودسامان این غشاء موجب شده است این روش از روش های سنتی «نانوفیلتراسیون مواد حلال ارگانیک» (OSN) کارآمدتر باشد.

منافذ متحدالشکل این غشا قابل تنظیم هستند. با تغییر اندازه یا تغییر میزان تجمع مولکول های خودسامان که سازنده ماده نهایی هستند می توان نفوذپذیری غشاء را تنظیم کرد. قابلیت تنظیم یک مزیت است که زمینه را برای کاربرد این فناوری غشایی در برداشتن موانع فیلتراسیون مواد ارگانیک در خارج از آزمایشگاه، یعنی در دنیای واقعی و ملموس فراهم می کند.

یکی از چالش هایی که تیم سازنده غشاء نانویی با آن روبرو شدند دشواری در حفظ استحکام و ثبات غشا درون محلول های ارگانیک با قطبیت متفاوت بود. آنها در مطالعه خود گونه های مولکولی، یعنی سورفکتانت ها (عوامل سطح فعال) را انتخاب کردند. این مولکول ها در سیالات ارگانیک حلالیت پایینی از خود نشان می دهند و می توانند به طرز مؤثری به هم متصل شوند تا استحکام لازم را به آن بدهند. زمانی که سورفکتانت ها به شکلی خودسامان و به مقدار معین درون آب کنار هم جمع و متمرکز می شوند، ژل نرمی از آنها شکل می گیرد. به این ویژگی خودسامانی در آب وقتی که سورفکتانت ها بالاتر از حد معینی متراکم می شوند، رفتار لیوتروپیک (lyotropic) می گویند. lyo به محلول اشاره دارد و منظور از tropic نظم است. در نتیجه، ژل ساخته شده «مزوفاز لیوتروپیک» نام گرفته است که واژه مزوفاز به شکل ساختاری آن اشاره دارد.

غشاهای این مطالعه بدین ترتیب ساخته شدند: ابتدا مزوفازهای لیوتروپیک تشکیل دهنده سورفکتانت ها در آب شکل گرفتند. پژوهشگران سپس ژل نرم را گستراندند تا به یک لایه نازک تبدیل شود. پس از آن با استفاده از یک واکنش شیمیایی، سورفکتانت ها به هم چسبیدند و یک پلیمر نانومنفذی را به وجود آوردند. اندازه منافذ درون پلیمر به کمک ساختار خود سامان دهی شده ساختار مزوفاز تنظیم می شوند.

تجمع مولکول های سورفکتانت در یک محلول حاوی آب به تشکیل میله های استوانه ای شکل می انجامد. در مرحله بعد، میله ها خود را سامان دهی کرده و یک ساختار شش وجهی را ایجاد می کنند که محصول آن ماده ای ژل مانند است.

یک روش برای تغییر قدرت تراوش (نفوذپذیری) یا تغییر اندازه منافذ این غشاء، تغییر میزان تراکم و نیز اندازه مولکول های سورفکتانت است. پژوهشگران با تغییر هر دو عامل اندازه نانومنافذ را کاهش داده و از ۲/۱ نانومتر به ۶/۰ نانومتر رساندند.

این غشاء که با بهره گیری از نانوفناوری ساخته شده با محلول های ارگانیک سازگاری دارد و می توان آن را طوری ساخت که دشواری های موجود در فرایند جداسازی غشایی را از میان بردارد. نانوفیلتراسیون مواد حلال ارگانیک (OSN) می تواند مصرف انرژی بالای فرایندهای جداسازی گرمایی را جبران کند. با توجه به این که اندازه و شکل منافذ یک دست و یکپارچه است، به غشا قابلیت انتخابی و نیز بهره وری انرژی می دهند.

یکی از کاربردهای خاص این فناوری تولید سوخت زیستی است. جداسازی الکل های قابل حل در آب از رآکتورهای زیستی (بیورآکتورها) گام بزرگی به سوی تولید زیست سوخت های اتانول و بوتانول به شمار می آید. روش های جداسازی غشایی می توانند به کاهش مقدار انرژی مصرفی در جدا کردن انواع الکل ها و سوخت ها از محیط های آبی رآکتورها کمک قابل توجهی می کنند. کاربرد غشاها به ویژه در عملیات هایی که در مقیاس های کوچک تر انجام می شوند بسیار مفید واقع می شود؛ چون فرایند تقطیر در مقیاس کوچک مقرون به صرفه نیست.

به علاوه، در ساخت بسیاری از تولیدات دارویی اغلب باید چندین مرحله ساخت در محیط هایی با حلال های مختلف پشت سر گذاشته شوند. طی کردن این مراحل مستلزم انتقال ماده واسط شیمیایی از یک حلال به حلال دیگر است. بنابراین، غشا جدید راه حل بی نقصی را برای ساخت داروهایی که باید مراحل فیلتراسیون را بگذرانند در پیش روی داروسازان قرار می دهد.