연구원들은 농업 폐기물에서 산을 포착하기 위해 수처리 방법을 사용합니다.

May 14, 2023

펜실베니아주 대학교 — 매립지로 향하는 농업 폐기물에는 의약품 제조에 사용되는 p-쿠마르산과 같은 고부가가치 화합물을 생산하는 데 사용할 수 있는 탄소원이 포함되어 있습니다. 이온 교환막을 사용하는 분리 방법인 전기탈이온화는 산과 기타 유용한 성분을 포획하는 한 가지 방법입니다. 그러나 대규모로 대량을 포착하려면 방법을 개선해야 합니다.

Penn State가 주도하는 연구팀은 에너지를 덜 사용하고 비용을 절약하면서 액체 혼합물에서 p-쿠마르산을 포착하는 전기 이온화 능력을 크게 향상시키는 새로운 종류의 이온 교환 멤브레인 웨이퍼 어셈블리를 발명했습니다.연구진은 결과를 발표했습니다. ACS 지속 가능한 화학 공학. 그들의 기사는 저널의 1월 23일 표지에도 선정되었습니다.

물을 정화하기 위해 처음으로 상용화된 전기탈이온화는 최근 몇 년간 폐수에서 귀중한 성분을 포착하는 데 사용되었습니다. 이 공정에서 액체 혼합물 흐름은 스펀지와 유사하고 고분자 접착제로 함께 고정되어 있는 여러 이온 교환막과 수지 웨이퍼의 스택을 통해 공급됩니다. 전기가 가해지면 액체의 이온이 스택을 통해 이동하고 p-쿠마르산은 농축된 공정 흐름으로 분리되어 수집될 수 있습니다.

"공정을 개선하기 위해 우리는 수지 웨이퍼를 개선해야 했습니다."라고 Penn State 화학 공학 부교수인 교신 저자 Chris Arges가 말했습니다. "이전에는 멤브레인이 현재 업계에서 수지 '접착제'로 사용되는 폴리에틸렌 접착제로 수지 웨이퍼 스펀지를 끼웠지만 이로 인해 멤브레인과 수지 웨이퍼 사이의 접촉이 불량해졌습니다. 우리는 폴리에틸렌을 이미다졸륨 이오노머로 대체했습니다. 폴리머 유형을 사용하고 레진 웨이퍼 위에 이미다졸륨 멤브레인을 접착했습니다."

연구진은 멤브레인을 웨이퍼에 접착함으로써 필요한 멤브레인의 양을 30% 줄여 전기탈이온화 장치의 비용을 절감했습니다. 새로운 디자인은 또한 멤브레인과 웨이퍼 사이의 계면 저항을 감소시켰습니다. 동일한 멤브레인과 바인더 화학물질이 에어 갭이 있는 스펀지 위와 아래에 위치하는 대신 함께 접착되었기 때문입니다. 저항을 줄이면 p-쿠마르산 포획 속도가 증가하여 연구자들이 더 작은 단위를 사용할 수 있게 되었습니다.

"우리는 새로운 물질이 더 많은 p-쿠마르산을 포착한다는 것을 알고 있었지만 그 이유는 확실하지 않았습니다"라고 Arges는 말했습니다. "저희 공동 작업자인 Revati Kumar는 왜 더 나은 결과를 얻었는지 알아보기 위해 시뮬레이션을 실행했습니다."

루이지애나 주립 대학의 화학 부교수인 Kumar는 이미다졸륨이 p-쿠마르산의 용해도를 증가시키고 물질 내에서 더 빠른 확산을 촉진한다는 사실을 발견했습니다.

Arges는 "함께 곱하면 용해도와 확산은 투과성, 즉 산이 멤브레인 수지 웨이퍼 네트워크를 통해 농축실로 이동할 때 산을 제거하는 속도와 동일합니다."라고 Arges는 말했습니다.

Arges는 투과성을 공항 보안 검색대를 통과하는 여행자의 비율과 비교했습니다. 더 많은 보안 검색대가 추가될수록 더 많은 사람들이 라인을 통과할 수 있어 라인의 투과성이 높아집니다.

따라서 투과성이 증가하면 p-쿠마르산이 막을 가로질러 이동하는 대신 파울링으로 알려진 막-수지 웨이퍼 재료에 결합할 가능성이 줄어듭니다.

이미다졸륨 멤브레인 수지 웨이퍼 어셈블리는 멤브레인을 통한 p-쿠마르산의 흐름을 촉진하는데, 이는 폴리에틸렌과 같은 다른 재료를 사용할 때 문제가 된다고 Arges는 말했습니다.

연구진에 따르면 현재의 수지 웨이퍼 구성을 벤치마킹했을 때 새로운 멤브레인 구성과 재료는 에너지를 70% 적게 사용하면서 p-쿠르마르산 포집을 7배 증가시키는 결과를 가져왔습니다. 또한 새로운 어셈블리는 공정에 사용되는 멤브레인의 양을 줄여 상당한 비용 절감 효과를 가져옵니다.

Argonne National Laboratory의 Arges 공동 연구자들은 새로운 멤브레인-웨이퍼 조립 기술에 대한 특허를 신청했습니다.