Investigadores utilizan método de tratamiento de agua para capturar ácidos de desechos agrícolas

Sep 08, 2023

UNIVERSITY PARK, PA — Con destino al vertedero, los desechos agrícolas contienen fuentes de carbono que pueden usarse para producir compuestos de alto valor, como el ácido p-cumárico, que se usa en la fabricación de productos farmacéuticos. La electrodesionización, un método de separación que utiliza membranas de intercambio iónico, es una forma de capturar los ácidos y otros componentes útiles. Sin embargo, para capturar grandes cantidades a escala, se deben realizar mejoras en el método.

Un equipo de investigación dirigido por Penn State ha inventado una nueva clase de ensamblajes de obleas de membrana de intercambio iónico que mejoran significativamente la capacidad de la electrodesionización para capturar ácido p-cumárico de mezclas líquidas mientras usa menos energía y ahorra dinero.Los investigadores publicaron sus resultados. en Ingeniería Química Sostenible ACS. Su artículo también fue seleccionado para la portada de la revista el 23 de enero.

Comercializado por primera vez para purificar el agua, la electrodesionización se ha utilizado para capturar componentes valiosos de los flujos de desechos en los últimos años. En el proceso, se alimenta una corriente de mezcla líquida a través de una pila de varias membranas de intercambio iónico y obleas de resina, que se asemejan a una esponja y se mantienen unidas con un adhesivo polimérico. Cuando se aplica electricidad, los iones en el líquido se mueven a través de la pila y el ácido p-cumárico se separa en una corriente de proceso concentrada, donde luego se puede recolectar.

"Para mejorar el proceso, tuvimos que mejorar la oblea de resina", dijo el autor correspondiente Chris Arges, profesor asociado de ingeniería química de Penn State. "Anteriormente, las membranas intercalaban la esponja de oblea de resina con un adhesivo de polietileno, que actualmente se usa en la industria como 'pegamento' de resina, pero esto provocaba un contacto deficiente entre la membrana y la oblea de resina. Sustituimos el polietileno con ionómero de imidazolio, un tipo de polímero, y pegó una membrana de imidazolio en la parte superior de la oblea de resina".

Al pegar la membrana a la oblea, los investigadores redujeron la cantidad de membrana necesaria en un 30 por ciento, reduciendo el costo de la unidad de electrodesionización. El nuevo diseño también redujo la resistencia interfacial entre la membrana y la oblea, ya que las mismas químicas de membrana y aglutinante se pegaron juntas en lugar de sentarse encima y debajo de la esponja con espacios de aire. La reducción de la resistencia condujo a una mayor tasa de captura de ácido p-cumárico, lo que permitió a los investigadores utilizar una unidad más pequeña.

"Sabíamos que el nuevo material estaba capturando más ácido p-cumárico, pero no estábamos seguros de por qué", dijo Arges. "Nuestro colaborador Revati Kumar realizó simulaciones para descubrir por qué funcionó mejor".

Kumar, profesor asociado de química en la Universidad Estatal de Luisiana, descubrió que el imidazolio aumenta la solubilidad del ácido p-cumárico y estimula una difusión más rápida dentro del material.

"Multiplicadas juntas, la solubilidad y la difusión equivalen a la permeabilidad, o qué tan rápido eliminamos el ácido a medida que viaja a través de la red de obleas de resina de membrana hacia el compartimento concentrado", dijo Arges.

Arges comparó la permeabilidad con la tasa de viajeros que pasan por una línea de seguridad del aeropuerto. A medida que se agregan más puntos de control de seguridad, más personas pueden moverse a través de la línea, lo que aumenta la permeabilidad de la línea.

Por lo tanto, el aumento de la permeabilidad reduce las posibilidades de que el ácido p-cumárico se una a los materiales de la oblea de resina de membrana, lo que se conoce como ensuciamiento, en lugar de moverse a través de la membrana.

"El conjunto de oblea de resina de membrana de imidazolio promueve el flujo de ácido p-cumárico a través de la membrana, lo cual es un problema cuando se utilizan otros materiales, como el polietileno", dijo Arges.

Cuando se compara con la configuración actual de obleas de resina, la nueva configuración de membrana y los nuevos materiales dan como resultado un aumento de siete veces en la captura de ácido p-courmarica mientras usa un 70 por ciento menos de energía, según los investigadores. Los nuevos ensamblajes también reducen la cantidad de membrana utilizada en el proceso, lo que se traduce en importantes ahorros de costos.

Los colaboradores de Arges en el Laboratorio Nacional de Argonne solicitaron una patente para la nueva tecnología de ensamblaje de oblea de membrana.

Además de Arges y Kumar, los coautores incluyen a Matthew Jordan, Louisiana State University; y Grzegorz Kokoszka y Yupo J. Lin,Laboratorio Nacional de Argonne.

- Este comunicado de prensa se publicó originalmente en el sitio web de Penn State