I ricercatori utilizzano un metodo di trattamento delle acque per catturare gli acidi dai rifiuti agricoli

Sep 08, 2023

UNIVERSITY PARK, PA — Confinati in discarica, i rifiuti agricoli contengono fonti di carbonio che possono essere utilizzate per produrre composti di alto valore, come l'acido p-cumarico, utilizzato nella produzione di prodotti farmaceutici. L'elettrodeionizzazione, un metodo di separazione che utilizza membrane a scambio ionico, è un modo per catturare gli acidi e altri componenti utili. Tuttavia, per catturare grandi quantità su larga scala, è necessario apportare miglioramenti al metodo.

Un gruppo di ricerca guidato dalla Penn State ha inventato una nuova classe di gruppi wafer con membrana a scambio ionico che migliora significativamente la capacità dell'elettrodeionizzazione di catturare l'acido p-cumarico da miscele liquide utilizzando meno energia e risparmiando denaro.I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in ACS Ingegneria Chimica Sostenibile. Il loro articolo è stato selezionato anche per la copertina del giornale del 23 gennaio.

Commercializzata inizialmente per purificare l’acqua, negli ultimi anni l’elettrodeionizzazione è stata utilizzata per catturare componenti preziosi dai flussi di rifiuti. Nel processo, un flusso di miscela liquida viene alimentato attraverso una pila di diverse membrane a scambio ionico e wafer di resina, che assomigliano a una spugna e sono tenuti insieme da un adesivo polimerico. Quando viene applicata l'elettricità, gli ioni nel liquido si muovono attraverso la pila e l'acido p-cumarico si separa in un flusso di processo concentrato, dove può quindi essere raccolto.

"Per migliorare il processo, abbiamo dovuto migliorare il wafer di resina", ha affermato l'autore corrispondente Chris Arges, professore associato di ingegneria chimica della Penn State. "In precedenza, le membrane avrebbero inserito nella spugna del wafer di resina un adesivo in polietilene, che viene attualmente utilizzato nell'industria come "colla" per resina, ma ciò portava a uno scarso contatto tra la membrana e il wafer di resina. Abbiamo sostituito il polietilene con lo ionomero di imidazolio, un tipo di polimero e incollato una membrana di imidazolio sopra il wafer di resina."

Incollando la membrana al wafer, i ricercatori hanno ridotto la quantità di membrana necessaria del 30%, riducendo il costo dell'unità di elettrodeionizzazione. Il nuovo design ha anche ridotto la resistenza interfacciale tra la membrana e il wafer, poiché le stesse sostanze chimiche della membrana e del legante erano incollate insieme anziché posizionarsi sopra e sotto la spugna con spazi d'aria. La riduzione della resistenza ha portato a un aumento del tasso di cattura dell'acido p-cumarico, consentendo ai ricercatori di utilizzare un'unità più piccola.

"Sapevamo che il nuovo materiale catturava più acido p-cumarico, ma non eravamo sicuri del perché", ha detto Arges. "Il nostro collaboratore Revati Kumar ha eseguito simulazioni per scoprire perché funzionava meglio."

Kumar, professore associato di chimica presso la Louisiana State University, ha scoperto che l'imidazolio aumenta la solubilità dell'acido p-cumarico e stimola una diffusione più rapida all'interno del materiale.

"Moltiplicati insieme, solubilità e diffusione equivalgono alla permeabilità, ovvero alla velocità con cui rimuoviamo l'acido mentre viaggia attraverso la rete di wafer di resina della membrana nel compartimento del concentrato", ha affermato Arges.

Arges ha paragonato la permeabilità al tasso di viaggiatori che attraversano la fila di sicurezza dell'aeroporto. Man mano che vengono aggiunti più controlli di sicurezza, più persone possono spostarsi lungo la linea, aumentandone la permeabilità.

Una maggiore permeabilità, quindi, diminuisce le possibilità che l'acido p-cumarico si leghi ai materiali del wafer di resina e membrana, noto come incrostazione, invece di spostarsi attraverso la membrana.

"Il gruppo wafer in resina della membrana imidazolio promuove il flusso di acido p-cumarico attraverso la membrana, il che rappresenta un problema quando vengono utilizzati altri materiali, come il polietilene", ha affermato Arges.

Secondo i ricercatori, se confrontati con l’attuale configurazione del wafer di resina, la nuova configurazione della membrana e i nuovi materiali determinano un aumento di sette volte nella cattura dell’acido p-curmarico utilizzando il 70% in meno di energia. I nuovi gruppi riducono inoltre la quantità di membrana utilizzata nel processo, con conseguente notevole risparmio sui costi.

I collaboratori di Arges presso l'Argonne National Laboratory hanno depositato una domanda di brevetto per la nuova tecnologia di assemblaggio membrana-wafer.