宾夕法尼亚州立大学研究人员使用水处理方法从农业废物中捕获酸
宾夕法尼亚州立大学领导的一个研究小组发明了一种新型离子交换膜晶片组件，可显着提高电去离子从液体混合物中捕获对香豆酸的能力。研究人员改进了树脂晶圆（如右图所示），从而改进了工艺。该论文被选为 ACS Sustainable Chemical Engineering 1 月 23 日的期刊封面，显示在左侧的计算机屏幕上。
运往垃圾填埋场的农业废物含有可用于生产高价值化合物的碳源，例如用于制造药物的对香豆酸。电去离子是一种使用离子交换膜的分离方法，是捕获酸和其他有用成分的一种方法。但是，要大规模捕获大量数据，必须对方法进行改进。
宾夕法尼亚州立大学领导的研究团队发明了一种新型离子交换膜晶片组件，可显着提高电去离子从液体混合物中捕获对香豆酸的能力，同时使用更少的能源并节省资金。研究人员在ACS Sustainable Chemical Engineering上发表了他们的研究结果。他们的文章还入选了该杂志 1 月 23 日的封面。
电去离子首先商业化用于净化水，近年来已被用于从废水中捕获有价值的成分。在这个过程中，液体混合物流通过一堆离子交换膜和树脂晶片，它们类似于海绵并用聚合物粘合剂固定在一起。通电后，液体中的离子会穿过电池堆，对香豆酸会分离成浓缩的工艺流，然后可以在那里收集。
“为了改进工艺，我们必须改进树脂晶圆，”通讯作者、宾夕法尼亚州立大学化学工程副教授 Chris Arges 说。“以前，膜会用聚乙烯粘合剂将树脂晶片海绵夹在中间，聚乙烯粘合剂目前在工业上用作树脂‘胶水’，但这导致膜和树脂晶片之间的接触不良。我们用咪唑离聚物代替了聚乙烯，这是一种一种聚合物，并将咪唑膜粘在树脂晶片的顶部。”
通过将膜粘在晶圆上，研究人员将所需的膜数量减少了 30%，从而降低了电去离子装置的成本。新设计还降低了膜和晶圆之间的界面阻力，因为相同的膜和粘合剂化学物质粘合在一起，而不是在海绵的顶部和下方有气隙。降低阻力导致捕获对香豆酸的速率增加，从而使研究人员能够使用更小的单元。
“我们知道新材料捕获了更多的对香豆酸，但我们不确定原因，”Arges 说。“我们的合作者 Revati Kumar 进行了模拟，以找出它运行得更好的原因。”
路易斯安那州立大学化学副教授 Kumar 发现咪唑盐增加了对香豆酸的溶解度并促进了材料内的更快扩散。
“相乘后，溶解度和扩散等于渗透性，或者当酸穿过膜树脂晶片网络进入浓缩室时我们去除酸的速度有多快，”Arges 说。
Arges 将渗透率与旅客通过机场安检线的比率进行了比较。随着更多安全检查站的增加，更多人可以通过线路，增加线路的渗透性。
因此，渗透性增加会降低对香豆酸与膜树脂晶圆材料结合（称为结垢）而不是穿过膜的机会。
“咪唑膜树脂晶片组件促进了对香豆酸通过膜的流动，当使用其他材料（如聚乙烯）时，这是一个问题，”Arges 说。
根据研究人员的说法，当以当前的树脂晶圆配置为基准时，新的膜配置和材料使对香豆素酸的捕获量增加了七倍，同时使用的能量减少了 70%。新组件还减少了过程中使用的膜数量，从而显着节省成本。
除了 Arges 和 Kumar，合著者还包括来自路易斯安那州立大学的 Matthew Jordan、Hishara Keshani Gallage Dona 和 Dodangodage Ishara Senadheera；以及阿贡国家实验室的 Grzegorz Kokoszka 和 Yupo J. Lin。
编辑：澜澜
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