研究者は水処理法を使用して農業廃棄物から酸を回収

ペンシルベニア州ユニバーシティパーク — 埋め立て地に送られる農業廃棄物には、医薬品の製造に使用される p-クマリン酸などの高価値化合物の生産に使用できる炭素源が含まれています。 イオン交換膜を使用する分離方法である電気脱イオン化は、酸やその他の有用な成分を捕捉する方法の 1 つです。 ただし、大規模に大量に捕獲するには、方法を改善する必要があります。

ペンシルベニア州立大学主導の研究チームは、より少ないエネルギーとコストを節約しながら、液体混合物から p-クマリン酸を捕捉する電気脱イオン化の能力を大幅に向上させる、新しいクラスのイオン交換膜ウェハーアセンブリを発明しました。研究者らは結果を発表した ACS持続可能な化学工学の博士号を取得。 彼らの記事は同誌の1月23日の表紙にも選ばれた。

電気脱イオン化は水を浄化するために最初に商業化されましたが、近年では廃棄物の流れから貴重な成分を回収するために使用されています。 このプロセスでは、液体混合物の流れが、スポンジに似ていてポリマー接着剤で一緒に保持されているいくつかのイオン交換膜と樹脂ウエハーの積み重ねを通して供給されます。 電気が印加されると、液体中のイオンがスタック内を移動し、p-クマリン酸が濃縮されたプロセスストリームに分離され、そこで収集されます。

「プロセスを改善するには、樹脂ウエハーを改良する必要がありました」と、責任著者のクリス・アージェス氏（ペンシルバニア州立大学化学工学准教授）は述べた。 「以前は、膜は現在業界で樹脂の「接着剤」として使用されているポリエチレン接着剤で樹脂ウェハースポンジを挟んでいましたが、これにより膜と樹脂ウェハー間の接触不良が発生しました。私たちはポリエチレンをイミダゾリウムアイオノマーで置き換えました。タイプのポリマーを使用し、樹脂ウェハーの上にイミダゾリウム膜を接着しました。」

研究者らは膜をウェーハに接着することにより、必要な膜の量を 30% 削減し、電気脱イオン装置のコストを削減しました。 新しい設計では、同じ膜とバインダーの化学薬品が空隙のあるスポンジの上下に置かれるのではなく、一緒に接着されるため、膜とウェーハの間の界面抵抗も減少しました。 抵抗が減少すると、p-クマリン酸の捕捉率が向上し、研究者はより小型のユニットを使用できるようになりました。

「新しい素材がより多くのp-クマル酸を捕捉することはわかっていましたが、その理由はわかりませんでした」とアルジェス氏は語った。 「私たちの協力者である Revati Kumar は、なぜそれがうまく機能するのかを調べるためにシミュレーションを実行しました。」

ルイジアナ州立大学の化学准教授であるクマール氏は、イミダゾリウムが p-クマル酸の溶解度を高め、材料内での拡散を促進することを発見しました。

「溶解性と拡散を掛け合わせると、透過性、つまり酸が膜樹脂ウェーハネットワークを通って濃縮コンパートメントに移動する際の酸の除去速度に等しくなります」とアージェス氏は述べた。

アルジェス氏は、透過性を空港のセキュリティラインを通過する旅行者の割合と比較しました。 保安検査場が追加されると、より多くの人がラインを通過できるようになり、ラインの透過性が高まります。

したがって、透過性が向上すると、p-クマリン酸が膜を横切って移動するのではなく、ファウリングとして知られる膜樹脂ウェハ材料に結合する可能性が減少します。

「イミダゾリウム膜樹脂ウェーハアセンブリは、膜を通るp-クマリン酸の流れを促進します。これは、ポリエチレンなどの他の材料が使用される場合に問題になります」とアルジェス氏は述べた。

研究者らによると、現在の樹脂ウェハー構成と比較した場合、新しい膜構成と材料により、エネルギー使用量が 70% 削減されながら、p-クルマル酸の捕捉が 7 倍増加しました。 新しいアセンブリでは、プロセスで使用される膜の量も減少し、大幅なコスト削減につながります。

アルゴンヌ国立研究所のアルジェスの共同研究者は、新しい膜とウェハのアセンブリ技術の特許を申請しました。

Arges と Kumar に加えて、共著者にはルイジアナ州立大学の Matthew Jordan が含まれます。 グジェゴシュ・ココシュカとユポ・J・リン、アルゴンヌ国立研究所。

- このプレスリリースはもともとペンシルベニア州立大学のウェブサイトに掲載されたものです