Les chiffres en haut représentent la polymérisation interfaciale traditionnelle, et les chiffres en bas illustrent la polymérisation interfaciale régulée par l'assemblage de tensioactifs (SARIP), la nouvelle méthode découverte par l'équipe. En utilisant SARIP pour séparer le Li+ (lithium) du Ca2+ (calcium), par exemple, la majorité du Li+ traverse la membrane tandis que le Ca2+ est rejeté presque parfaitement. (En bas à droite). Crédit :Université Vanderbilt
Une équipe de recherche internationale qui comprend des ingénieurs de Vanderbilt est la première à séparer avec succès deux ions avec un très, très petites différences de taille, une avancée majeure dans la science de la séparation avec une application potentielle étendue.
Le processus consiste d'abord à obtenir une séparation soluté-soluté avec une précision inférieure à l'Angstrom. Un Angström est un cent millionième de centimètre, ou un dixième de nanomètre. Pour un sens de l'échelle, la différence entre un seul Angström et un mètre est à peu près l'équivalent de la différence entre la largeur d'une carte de crédit et le rayon de la Terre.
Le travail résulte d'une vaste collaboration internationale entre Vanderbilt, le Suzhou Institute of Nano-Tech and Nano-Bionics de l'Académie chinoise des sciences, Yale University et plusieurs autres institutions. L'avancement est signalé en ligne aujourd'hui dans Communication Nature .
Le premier auteur de l'article, Yuanzhe Liang, est un doctorat étudiant dans le programme interdisciplinaire de science des matériaux de la School of Engineering. Shihong Lin, professeur assistant en génie civil et environnemental, est le conseiller de Liang et l'un des trois auteurs correspondants du projet.
Ce qui rend également le travail important, c'est son utilisation de la nanofabrication pour la séparation soluté-soluté. La nanofiltration est très efficace, relativement mature, et a été largement utilisé dans la pratique. Mais dans la plupart des cas, il est utilisé pour séparer les ions et les petites molécules du solvant, pas l'un l'autre.
La clé pour obtenir la séparation soluté-soluté, les auteurs ont découvert, est d'utiliser des membranes avec une taille de pores très uniforme afin qu'elles rejettent les solutés plus grands que les pores mais pas seulement légèrement plus petits. Mais y arriver n'est pas anodin.
Les membranes de nanofiltration commerciales à la pointe de la technologie sont fabriquées par polymérisation interfaciale, dans lequel deux précurseurs chimiques, l'un en phase aqueuse et l'autre en phase huileuse, réagir. La réaction crée un mince film de polymère à l'interface eau/huile qui agit comme la couche de séparation active. Cette couche a des pores à l'échelle de l'Angstrom, mais le processus complexe se déroule en quelques secondes et rend l'obtention plus petite, pores uniformes très difficiles.
La nouvelle méthode de l'équipe utilise une dynamique, réseau auto-assemblé de tensioactifs pour faciliter une diffusion plus rapide et plus homogène de molécules spécifiques, ou des monomères, à travers l'interface eau/huile, lorsque les monomères se lient les uns aux autres pour former un polymère. La clé de "la polymérisation interfaciale régulée par l'assemblage de tensioactifs, " ou SARIP, comme on l'appelle, consiste à ajouter les bons types de tensioactifs pour favoriser la formation d'un réseau hautement organisé de taille de pores très étroite et très uniforme à l'interface eau/huile.
L'équipe a évalué quels types de tensioactifs fonctionnent le mieux et a démontré que l'approche fonctionne également avec d'autres paires de tensioactifs, ou précurseurs.
Nanofiltration, qui est plus efficace et consomme moins d'énergie que les autres technologies, telles que les séparations électrochimiques et thermiques, est déjà largement utilisé, créant de vastes opportunités dans de nombreux secteurs pour la découverte de l'équipe.
"La séparation précise des ions et des petites molécules à l'aide de membranes aura des impacts transformateurs sur l'énergie, l'eau, chimique, et les industries pharmaceutiques, ", ont déclaré les auteurs.
