Efecto del líquido iónico en la formación de membranas de ultrafiltración de copoliimida con rechazo mejorado de La3+

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 8200 (2022) Citar este artículo

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La ultrafiltración (UF) como método de separación industrial ampliamente utilizado con una selección óptima de materiales de membrana se puede aplicar para extraer metales de tierras raras de soluciones diluidas formadas durante el procesamiento de desechos electrónicos mediante métodos hidrometalúrgicos. En el presente trabajo, se prepararon prometedoras membranas de copoliimida de UF usando [hmim][TCB] líquido iónico (IL) codisolvente que puede considerarse como una alternativa ecológica a los disolventes convencionales. Las membranas se caracterizaron por ATR-FTIR, TGA, SEM y cálculos químicos cuánticos. Se reveló una diferencia significativa en la morfología de estas membranas mediante SEM de secciones transversales de membrana; la membrana P84 tiene una estructura similar a un dedo del sustrato poroso en contraste con la estructura esponjosa del sustrato de la membrana P84/IL debido a una mayor viscosidad dinámica de la solución de moldeo. Los parámetros de transporte se determinaron en pruebas de ultrafiltración con agua pura y una solución acuosa de albúmina de suero bovino. La adición de líquido iónico a la solución de colada P84 aumenta el rendimiento de la membrana. Se evaluó la capacidad de rechazo con respecto a La3+ en forma de complejo de alizarina de lantano (LAC) en solución acuosa de acetona. La membrana P84 preparada con IL mostró un alto rechazo (98,5%) con respecto a LAC, así como una productividad significativa.

Las técnicas de membrana, con sus grandes ventajas sobre los métodos de separación convencionales, se utilizan con eficacia para resolver tareas ambientales e industriales urgentes de purificación de soluciones acuosas y separación de componentes de medios líquidos1,2,3,4,5. Las técnicas de membrana requieren costos energéticos y económicos mínimos, son fáciles de operar, implementar y mantener. La ultrafiltración (UF) moderna se desarrolla constantemente y encuentra su aplicación en las industrias alimentaria, farmacéutica, textil, papelera y otras6,7,8. Los procesos a gran escala, como la filtración a alta temperatura de aceites viscosos, la purificación de agua en reactores nucleares, la catálisis química, las reacciones en fase gaseosa y otros, requieren membranas de UF que muestren no solo alta permeabilidad, selectividad y buenas propiedades mecánicas, sino también térmicas. y estabilidad química9,10,11,12. Entre los materiales disponibles comercialmente, los polímeros con unidades de imida en el esqueleto poseen en gran medida las propiedades anteriores, lo que se debe a la presencia de anillos rígidos heterocíclicos y aromáticos en sus cadenas13,14,15,16,17,18,19,20 ,21,22,23. La copoliimida P84 (BTDA-TDI/MDI) es un producto de policondensación entre benzofenona-3,3',4,4'-dianhídrido tetracarboxílico (BTDA) y 2,4-tolilendiisocianato/1,1′-metilenbis(4-isocianatobenceno ) (80/20%) ; este poliheteroarileno disponible comercialmente exhibe buenas propiedades mecánicas, resistencia química y baja hidrofilia. La copoliimida P84 se ha estudiado como material de membrana para nanofiltración24, separación de gases25,26 y pervaporación14,27,28,29,30.

El estudio sobre membranas P84 en procesos de UF se ha realizado en31,32,33,34. En el trabajo34, los autores compararon la estructura y propiedades de las membranas preparadas a partir de tres poliimidas comerciales: P84, Matrimid y Torlon según el disolvente utilizado, N-metilpirrolidona (NMP) o dimetilsulfóxido (DMSO). Las membranas se formaron mediante la técnica de inversión de fase utilizando agua como coagulante. La membrana P84 obtenida a partir de la solución de DMSO tenía una estructura porosa esponjosa, en contraste con la estructura en forma de dedo de la membrana obtenida a partir de la solución de NMP. La diferencia en las estructuras se reflejó en las propiedades de transporte de las membranas de UF. Se encontró que la membrana P84 obtenida a partir de una solución en NMP poseía las mejores propiedades de transporte.

Las membranas de polímero se preparan comúnmente a partir de soluciones basadas en solventes apróticos polares, como NMP, DMSO, dimetilacetamida y dimetilformamida debido a su afinidad química por un polímero; los solventes polares enumerados son altamente tóxicos para la salud humana y los ecosistemas. Los líquidos iónicos (IL) proporcionan una alternativa ecológica a los disolventes convencionales35; Los IL son sales orgánicas que permanecen líquidas a temperatura ambiente, tienen buenas propiedades térmicas y químicas, baja volatilidad y pueden reciclarse y reutilizarse. El uso de estos disolventes "verdes" minimizaría los residuos y las pérdidas en los procesos químicos36. Se ha demostrado en37 que el uso de tetrafluoroborato de 1-etil-3-metilimidazolio como aditivo (hasta 17% IL) en la solución de polietersulfona en DMF para la formación de membranas de UF conduce a un aumento significativo en el flujo para una solución acuosa. solución de albúmina de suero bovino y en la relación de recuperación de flujo.

La comparación de membranas de acetato de celulosa (CA) obtenidas a partir de una solución de CA al 10 % en peso de tiocianato de 1-butil-3-metilimidazolio (IL) o NMP por precipitación en agua mostró que la membrana CA/IL tenía una porosidad muy baja ~ 6 % y reducción rendimiento en contraste con la membrana CA/NMP con porosidad ~ 84%38. Según los datos SEM, la membrana CA/NMP tenía más poros abiertos que la membrana CA/IL. El efecto de la IL depende también del tipo de polímeros, incluso similares como la celulosa y el CA39. La adición de IL (acetato de 1-etil-3-metilimidazolio) en una cantidad de 0 a ~ 50 % en peso a la solución de fundición de 8 % en peso de celulosa en DMSO casi no tuvo efecto sobre la estructura y las propiedades de la membrana. Sin embargo, la adición similar de IL a la solución de fundición de CA en DMSO condujo a un cambio en la morfología de la membrana, un aumento en el flujo, pero a una disminución en el rechazo de azul de dextrano.

El objetivo del presente trabajo fue estudiar el efecto de los aditivos de 1-hexil-3-metilimidazolio tetracianoborato—[hmim][TCB] (IL) sobre la estructura y las propiedades de transporte de las membranas de UF preparadas a partir de la copoliimida P84 (Fig. 1). Otra tarea importante fue evaluar la posibilidad de utilizar estas membranas para el rechazo de La3+. Se sabe que el método de ultrafiltración de reactivos se puede aplicar para extraer metales de tierras raras a partir de soluciones diluidas formadas durante el procesamiento de desechos electrónicos por métodos hidrometalúrgicos40,41,42. El mayor interés está en la implementación de este método mediante la formación de iones complejos que son más grandes que los iones iniciales del metal aislado mediante la introducción de un agente complejante especialmente seleccionado. En este trabajo, para evaluar la capacidad de rechazo de las membranas P84 y P84/IL frente a La3+, utilizamos un quelante de alizarina que forma un compuesto complejo con La3+, es decir, el complejo lantano-alizarina (LAC) en solución acuosa de acetona43, 44.

Fórmulas estructurales de (a) copoliimida P84 y (b) tetracianoborato de 1-hexil-3-metilimidazolio (IL).

N-metilpirrolidona (NMP) de grado analítico y fosfato de potasio de grado de alta pureza se adquirieron de Spectr-Chem (San Petersburgo, Rusia). El tetracianoborato de 1-hexil-3-metilimidazolio de grado HPLC (≥ 97 %) ([hmim][TCB]) se adquirió de Merck (Darmstadt, Alemania). El polvo P84 comercial se adquirió de HP Polymer GmbH (Lenzing, Austria). El hexahidrato de nitrato de lantano de grado químicamente puro se adquirió de ChemExpress (San Petersburgo, Rusia). El cloruro de sodio y el fosfato de sodio sustituido en 2 de grado de alta pureza se adquirieron de Vekton (San Petersburgo, Rusia). La albúmina de suero bovino de grado HPLC (≥ 99 %) se adquirió de Dia-M (Moscú, Rusia); La γ-globulina bovina y la ovoalbúmina de grado HPLC (≥ 97%) se adquirieron de Sigma-Aldrich Chemie GmbH. (Sigma-Aldrich, Schnelldorf, Alemania); la vitamina B12 de grado HPLC (≥ 98%) se adquirió de J&K Sientific Ltd. (San José, EE. UU.).

Las membranas asimétricas se obtuvieron a partir de soluciones coladas de P84 en NMP o de una solución de P84/IL/NMP en la proporción 15/15/70 (% en peso). La solución de colado se vertió sobre una placa de vidrio utilizando una cuchilla de colado con un espesor nominal de 300 μm, y la placa de vidrio se sumergió inmediatamente en un baño de coagulación con una mezcla de agua/etanol en la proporción 60/40 (% en peso) a temperatura ambiente. . La membrana porosa asimétrica se formó como resultado del proceso de inversión de fase; se mantuvo en el baño de coagulación por ~ 3 h. Luego, la membrana se lavó tres veces con una solución acuosa de etanol, hexano y se secó.

La viscosidad dinámica de las soluciones de fundición P84 y P84/IL en NMP se midió con un viscosímetro de vibración SV-10A, A&D (Japón) con un rango de medición de 0,3–10 000 mPa s. La medición se llevó a cabo a 25 °C.

La optimización de la geometría completa de todas las estructuras del modelo se llevó a cabo en el nivel de teoría DFT utilizando el funcional híbrido ωB97XD45 con corrección de dispersión con la ayuda del paquete de programa Gaussian-0946. Se usaron los conjuntos básicos estándar 6-31G* para todos los átomos. No se han aplicado restricciones de simetría durante el procedimiento de optimización de la geometría. Las matrices hessianas se calcularon analíticamente para estructuras modelo optimizadas para probar la ubicación de los mínimos correctos en las superficies de energía potencial (no se encontraron frecuencias imaginarias en todos los casos). Los parámetros termodinámicos se calcularon a 298,15 K y 1,00 atm. Las entalpías, las entropías y las energías libres de Gibbs de las estructuras del modelo de equilibrio optimizado se presentan en las Tablas S1. En22 se proporciona una descripción detallada del procedimiento de cálculo de entalpías, entropías y energías libres de Gibbs.

Las pruebas de ultrafiltración se llevaron a cabo en la celda sin salida con un diámetro de membrana de 25 mm equipada con un agitador con una velocidad de 200-600 rpm, se mantuvo una presión transmembrana de ~ 1 bar mediante flujo de nitrógeno47. La cantidad de filtrado (permeado) se determinó utilizando una balanza electrónica.

La calibración de la membrana se realizó según la técnica descrita en48. La prueba de UF se realizó utilizando una mezcla al 1% en peso de proteínas con diferente peso molecular (Tabla 1) en una solución tampón de fosfato, pH 7. La concentración de las proteínas en la alimentación y el permeado se analizó utilizando un espectrofotómetro PE-5400UF (Ekroschem, St. . Petersburgo, Rusia). Las medidas se realizaron a una longitud de onda de 280 nm ya que es la máxima absorción de las proteínas seleccionadas.

Para estimar la eficiencia de separación de las membranas hacia La3+, se preparó una solución de complejo lantano-alizarina (LAC) a partir de los siguientes componentes: 2 cm3 de una solución tampón de acetato, 10 cm3 de una solución de nitrato de lantano con una concentración de 5 mmol/dm3, 10 cm3 de una solución de alizarina complexona (5 mmol/dm3) y 25 cm3 de acetona. Estando bien mezclado, se tomaron 20 cm3 de la solución preparada con una pipeta calibrada y se transfirieron a un matraz aforado de 100 cm3.

La concentración de LAC en el permeado y la alimentación se determinó utilizando un colorímetro fotoeléctrico de concentración KFK-ZKM (Unico-Sis, San Petersburgo, Rusia) (un filtro de luz con una transmisión máxima de 590 ± 10 nm y un ancho de banda de 25 ± 10 Nuevo Méjico).

Los datos de los experimentos de UF se utilizaron para calcular las propiedades de transporte de las membranas.

El flujo a través de las membranas, J (L m−2 h−1 bar−1), se calculó como:

donde V es el volumen del permeado, L; t es el tiempo de filtración, h; S es el área superficial de la membrana, m2; y P es la presión transmembrana, bar.

El rechazo (R) se calculó como:

donde Cp y C0 son las concentraciones de proteína (u otro componente rechazado) en el permeado y la alimentación, respectivamente, g/L.

La relación de recuperación de flujo (FRR) se calculó utilizando la siguiente ecuación:

donde J0 es el flujo de agua pura a través de la membrana, J0t es el flujo de agua pura después de la ultrafiltración de la solución de proteína a la misma presión.

La dispersión de rechazo (σ) se calculó como:

donde M0.9 y M0.1 son los pesos moleculares de las proteínas que fueron rechazadas por la membrana en un 90% y 10%, respectivamente.

Para determinar la porosidad de la membrana, se sumergió una membrana en agua destilada durante 12 h, luego se pesó después de eliminar el exceso de humedad de la superficie con papel de filtro. Además, la membrana se colocó en un horno de vacío, se secó durante 12 h a 60 °C y se pesó. Todas las medidas de peso se realizaron utilizando una balanza analítica Mettler Toledo (con un error de ± 0,0001 g). La porosidad de la membrana se calculó utilizando la ecuación. (5)49:

donde Ww y Wd son los pesos de la membrana húmeda y seca, respectivamente, g; ρw es la densidad del agua (0,998 g/cm3); S es el área de la membrana, cm2; d es el espesor medio de la membrana, cm.

La morfología de la membrana se estudió mediante microscopio electrónico de barrido SEM Zeiss SUPRA 55VP (Carl Zeiss AG, Alemania). Para obtener micrografías transversales, las muestras de membrana se trataron previamente con nitrógeno líquido. Antes de la prueba, la capa de platino de 20 nm de espesor se revistió sobre la superficie de la muestra mediante pulverización catódica utilizando la instalación Quorum 150 (Gran Bretaña).

El análisis termogravimétrico (TGA) se llevó a cabo en un analizador TG 209 F1 (Netzsch, Alemania) utilizando muestras que pesaban ~ 8–15 mg en condiciones de un aumento dinámico de la temperatura de 40 a 420 °C en una atmósfera de nitrógeno.

Los espectros ATR-FTIR de las membranas se registraron en un espectrómetro IR-Fourier Bruker Tensor 27 (Bruker Daltonics, Billerica, Massachusetts, Alemania) con una resolución de 1 cm−1 dentro del rango de 4000–500 cm−1 a temperatura ambiente (25 ºC).

El parámetro de solubilidad de Hildebrand (δ) se calculó como50:

donde ∆Ew/Vw es la densidad de energía de cohesión requerida para vencer todas las fuerzas intermoleculares dentro de 1 cm3 de una sustancia.

La selección de las condiciones para formar membranas de estructura asimétrica a base de P84 se realizó variando la concentración de polímero en la solución de NMP. La Figura 2 muestra los datos del flujo de agua pura (J0), el rechazo (R) de albúmina de suero bovino (BSA), así como la relación de recuperación de flujo (FRR) en función de la concentración de P84 en la solución de colado. A medida que aumenta la concentración de polímero, el flujo disminuye, pero aumentan la FRR y el rechazo. Esto se debe al hecho de que un aumento en la concentración de polímero conduce a un aumento en la viscosidad de la solución de colado, lo que ralentiza la difusión del coagulante y, por lo tanto, la tasa de inversión de fase disminuye. Como resultado, se forman membranas con una capa selectiva más densa y tamaños de poro más pequeños51. Un tamaño de poro más pequeño determina una disminución en el flujo, pero también una disminución en la adsorción de moléculas de proteína en su superficie, lo que contribuye a un aumento en la FRR.

Dependencia del flujo de agua pura (J0), el rechazo (R) y la relación de recuperación de flujo (FRR) de las membranas P84 en la concentración de P84 en la solución de colado.

La combinación óptima de las propiedades de transporte (J, R, FRR) se obtuvo para la membrana preparada a partir de una solución de P84 al 15 % en peso. Para evaluar la eficiencia de separación de la membrana preparada a partir de P84 al 15 % en peso, se realizaron pruebas de calibración de UF utilizando una solución acuosa al 1 % en peso de una mezcla de cuatro proteínas que difieren en peso molecular (Tabla 1). La figura 3 muestra la dependencia del rechazo del peso molecular de la proteína. Esta curva se utilizó para determinar el valor del corte de peso molecular (MWCO) que corresponde al peso de la proteína rechazada en un 90%48,52.

Dependencia del rechazo de proteínas en el peso molecular de la membrana P84 preparada a partir de una solución al 15% en peso.

El MWCO para esta membrana P84 es de 65 000 g/mol. La Figura 3 también se usó para evaluar la dispersión (σ) de la curva de retención que se calculó mediante la ecuación. (4). Para la membrana asimétrica desarrollada este parámetro fue igual a ~ 1,4. Por lo general, la dispersión de las membranas poliméricas convencionales está en el rango de 0,7 a 1,5. Este último puede separar completamente los componentes que difieren en pesos moleculares por decenas y centenas de veces.

La porosidad de la membrana P84 preparada a partir de una solución al 15 % en peso se determinó utilizando la ecuación. (5). Este valor es de alrededor del 65% lo que se correlaciona con los parámetros de las membranas industriales49.

Para evaluar el efecto de los aditivos de IL sobre la estructura y las propiedades de las membranas asimétricas, se prepararon membranas P84/IL a partir de una solución de fundición que contenía P84/IL/NMP en una proporción de 15/15/70 (% en peso). El tetracianoborato de 1-hexil-3-metilimidazolio IL se usó como codisolvente para NMP. Debido a la presencia del catión imidazolilo en la estructura de IL, se produce una buena compatibilidad de IL tanto con la copoliimida P84 como con el disolvente NMP.

La Tabla 2 enumera las propiedades de los líquidos utilizados como disolvente. Los parámetros de solubilidad de Hildebrand para IL y NMP son cercanos, lo que contribuye a su afinidad y buena compatibilidad con el polímero de membrana, ya que el parámetro de solubilidad de Hildebrand para P84 es 26,4 (J/cm3)1/2.

Las suposiciones de la buena compatibilidad de IL con NMP y P84 fueron confirmadas por cálculos de química cuántica. Las interacciones del solvente amida, IL y copoliimida se consideraron como procesos hipotéticos de asociación supramolecular. Las reacciones del modelo se presentan en la Tabla 3.

Los resultados de los cálculos de química cuántica (Tabla 3 y Tabla S1) revelan que todos los procesos hipotéticos de asociación supramolecular estudiados son exotérmicos. En términos de energías libres de Gibbs, las reacciones modelo termodinámicamente más favorables son las asociaciones del catión IL con NMP, así como el catión IL y el anión con copoliimida P84 (Fig. 4). Por lo tanto, se puede concluir que la NMP y la IL son termodinámicamente estables y la IL se puede utilizar como codisolvente relevante para P84.

Esquema de coordinación de (a) catión IL con NMP, (b) catión IL con P84 y (c) anión IL con P84.

La adición de IL promueve la formación de soluciones poliméricas más viscosas. La viscosidad dinámica de la solución de colado de P84/IL al 15 % en peso es igual a 6,33 P s, mientras que este parámetro para la solución de colado de P84 al 15 % en peso es de solo 1,89 P s. Por lo tanto, la adición de IL aumenta la viscosidad de la solución de colada de polímero en más de tres veces. Un aumento en la viscosidad de la solución de fundición de polímeros afecta significativamente el proceso de formación de la membrana P84/IL utilizando la técnica de inversión de fase.

La estabilidad térmica de las membranas se estudió mediante análisis termogravimétrico en atmósfera inerte. La figura 5 muestra las curvas de TG para las membranas P84 y P84/IL. El patrón de pérdida de peso es idéntico para ambas membranas. El primer rango de pérdida de peso ~ 2,5% en peso en el rango de hasta 120 °C se debe a la evaporación de la humedad y las impurezas de bajo peso molecular. En el rango de 130 a 350 °C, se observa una pérdida de peso más visible de ~ 5.5 wt%, que se asocia con la liberación del solvente residual NMP que forma enlaces donador-aceptor con polímeros de estructura heteroaromática, lo que complica su total eliminación de las membranas54. En el rango de 370 a 400 °C comienza la pérdida de peso asociada con la degradación térmica de las cadenas poliméricas.

Curvas TG de las membranas P84 y P84/IL.

Para estudiar la composición química de las membranas se utilizó espectroscopia ATR-FTIR. La Figura 6 muestra los espectros IR de las membranas de líquido iónico (IL), P84 y P84/IL. Las bandas típicas de imida para P84 se ubican en 1782 cm-1 para el estiramiento simétrico de CO, en 1716 cm-1 para el estiramiento asimétrico de CO y en 1359 cm-1 para el estiramiento CN. Las bandas características de IL a 3158 cm−1 corresponden a la vibración de estiramiento de CH dentro del anillo de imidazol. Para el espectro IL, cabe destacar el pico en 2224 cm−1 asignado a la interacción de iones dentro de la molécula, así como las bandas en el rango 1000–750 cm–1 correspondiente al anión y 936 cm–1 asignado a BC stretching55. Por tanto, las bandas características de IL no están presentes en el espectro de la membrana P84/IL. Por lo tanto, se puede concluir que la membrana P84/IL no contiene líquido iónico.

Espectros ATR-FTIR de membranas IL, P84 y P84/IL.

Se utilizó microscopía electrónica de barrido (SEM) para estudiar la morfología de la membrana. La figura 7 muestra micrografías de la sección transversal y la superficie superior de las membranas P84 y P84/IL. Las secciones transversales de ambas membranas tienen una estructura anisotrópica que consiste en una capa superior delgada y un sustrato poroso que es típico de las membranas de UF. La Figura 7a muestra la sección transversal de la membrana P84, donde el sustrato exhibe una estructura porosa similar a un dedo. Para la membrana P84/IL, la estructura de la sección transversal cambia significativamente. La Figura 7c demuestra una estructura esponjosa del sustrato poroso para la membrana P84/IL. Tal estructura se forma durante el proceso de inversión de fase que ocurre más lentamente después de la adición de IL en vista de un aumento significativo en la viscosidad dinámica de la solución de colada de polímero. La Figura 7d muestra que la adición de IL como cosolvente conduce a un aumento en el número de poros en la capa superior, así como a la formación de cavidades en la estructura de la membrana P84/IL.

Micrografías SEM de la sección transversal de la membrana y la superficie superior para (a,b) las membranas P84 y (c,d) P84/IL.

Se realizaron pruebas de UF con agua pura y una solución acuosa de albúmina de suero bovino (BSA) para evaluar las propiedades de transporte de las membranas P84 y P84/IL preparadas a partir de soluciones de polímero al 15% en peso. La figura 8 muestra los datos sobre el flujo y el rechazo que se determinaron filtrando una solución acuosa de BSA a través de las membranas P84 y P84/IL. El uso de IL como cosolvente conduce a un aumento en el rendimiento de la membrana; el rechazo de BSA para las membranas estudiadas es muy alto (93-99%).

El flujo de solución acuosa de BSA (JBSA) y el rechazo de BSA (R) para las membranas P84 y P84/IL.

La Figura 9 muestra los datos sobre el flujo de agua pura y la tasa de recuperación de flujo (FRR) para las membranas P84 y P84/IL. La adición de IL a la solución de fundición aumenta el rendimiento hidráulico de las membranas. La FRR para las membranas basadas en P84 es suficientemente alta; sin embargo, en el caso de la membrana P84/IL, su valor disminuye ligeramente.

El flujo de agua pura (J0) y la relación de recuperación de flujo (FRR) para las membranas P84 y P84/IL.

La capacidad de rechazo de las membranas P84 y P84/IL preparadas a partir de soluciones de polímero al 15% en peso se evaluó con respecto a La3+ en forma de complejo de lantano-alizarina (LAC). La figura 10 muestra los resultados de la filtración de LAC en solución acuosa de acetona en forma de flujo de LAC (JLAC) y rechazo de LAC (R) para las membranas P84 y P84/IL. Ambas membranas se caracterizan por un alto rechazo de 96 a 98%, así como un alto flujo. Al mismo tiempo, la membrana P84/IL presenta un rechazo ligeramente superior en comparación con la membrana P84. El éxito de este experimento se debe al rendimiento estable (operabilidad) de las membranas de UF basadas en P84, que son estables para filtrar no solo soluciones acuosas, sino también medios acuosos de acetona.

El flujo de LAC en solución de agua y acetona (JLAC) y el rechazo de LAC (R) para las membranas P84 y P84/IL.

Por lo tanto, los resultados obtenidos demuestran la posibilidad de una extracción eficiente del metal de tierras raras a partir de soluciones diluidas utilizando las membranas UF basadas en copoliimida P84, incluidas aquellas con aditivos IL.

Se estudió el efecto de los aditivos de tetracianoborato de 1-hexil-3-metilimidazolio ([hmim][TCB]) sobre la estructura y las propiedades de transporte de la membrana asimétrica P84/IL preparada a partir de una solución colada de P84/IL/NMP en una proporción de 15 /15/70 (% en peso) La membrana asimétrica P84/IL se comparó con la membrana P84 preparada a partir de una solución de moldeo de P84/NMP en una proporción de 15/85 (% en peso). SEM reveló una diferencia significativa en las estructuras de los sustratos porosos en las secciones transversales de la membrana. La membrana P84 tiene una estructura similar a un dedo del sustrato poroso, en contraste con la estructura esponjosa del sustrato para la membrana P84/IL. Este cambio significativo en la morfología se debe a un aumento en la viscosidad dinámica de la solución de fundición que contiene IL, lo que disminuye la velocidad del proceso de inversión de fase; además, la IL se filtra cuando está contenida en el baño de coagulación. Según FTIR, la membrana P84/IL no contiene líquido iónico.

Los parámetros de transporte de las membranas se determinaron en las pruebas de UF con agua pura y una solución acuosa de albúmina de suero bovino (BSA). Se demostró que la adición de IL a la solución de fundición P84 aumenta el rendimiento de las membranas. La FRR para las membranas basadas en P84 es bastante alta; sin embargo, su valor disminuye ligeramente para la membrana P84/IL.

Se evaluó la capacidad de rechazo de las membranas P84 y P84/IL frente a La3+ en forma de complejo lantano-alizarina (LAC) en solución acuosa de acetona. La membrana P84/IL mostró un alto rechazo (98,5%) con respecto a LAC, así como un alto flujo. Por lo tanto, los resultados obtenidos permiten concluir que es posible extraer eficientemente el metal de tierras raras a partir de soluciones diluidas utilizando las membranas de ultrafiltración a base de copoliimida P84, incluidas aquellas con aditivos IL.

Todos los datos generados y analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

Baker, RW Tecnología y aplicaciones de membranas. 3ra ed. ISBN 9780470743720. (Wiley, 2012).

Wang, LK, Chen, JP, Hung, Y.-T., Shammas, NK Membrane and Desalination Technologies. ISBN 978-1-58829-940-6. (Humana Press, 2011).

Mahmoudi, E. et al. Mejora de la morfología y el rendimiento de separación de las membranas de poliamida 6,6 mediante la incorporación mínima de nanopartículas de óxido de grafeno decoradas con plata. ciencia Rep. 9, 1216. https://doi.org/10.1038/s41598-018-38060-x (2019).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Penkova, AV, Dmitrenko, ME, Ermakov, SS, Toikka, AM y Roizard, D. Nuevas membranas verdes soportadas por matriz mixta de PVA-fullerenol para separar mezclas de agua y THF por pervaporación. Reinar. ciencia contaminar Res. 25, 20354–20362. https://doi.org/10.1007/s11356-017-9063-9 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Atlaskin, AA et al. Estudio experimental completo de cascadas de membrana tipo "columna de membrana continua" para gases de alta purificación. J. Miembro ciencia 572, 92–101. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2018.10.079 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Koyuncu, I., Sengur, R., Turken, T., Guclu, S. y Pasaoglu, ME Avances en el tratamiento del agua por microfiltración, ultrafiltración y nanofiltración. en Advances in Membrane Technologies for Water Treatment (eds. Basile, A., Cassano, A., Rastogi, NK). 83–128. (Elsevier, 2015).

Van der Bruggen, B. Microfiltración, ultrafiltración, nanofiltración, ósmosis inversa y ósmosis directa en Fundamental Modeling of Membrane Systems, Membrane and Process Performance (ed. Luis, P.). 25–70. (Elsevier, 2018).

Al Aani, S., Mustafa, TN & Hilal, N. Membranas de ultrafiltración para aguas residuales e ingeniería de procesos de agua: una revisión estadística integral durante la última década. J. Ing. de Procesos de Agua. 35, 101241. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101241 (2020).

Artículo Google Académico

Polotskaya, GA, Goikhman, MY, Podeshvo, IV, Polotsky, AE y Cherkasov, AN Polybenzoxazinoneimides y sus prepolímeros como materiales de membrana prometedores. Desalinización 200, 46–48 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Ulbricht, M. Membranas poliméricas funcionales avanzadas. Polímero 47, 2217–2262. https://doi.org/10.1016/j.polymer.2006.01.084 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Siagian, UWR et al. Membrana de ultrafiltración de alto rendimiento: avances recientes y su aplicación para el tratamiento de aguas residuales. actual contaminar Rep. 7, 448–462. https://doi.org/10.1007/s40726-021-00204-5 (2021).

Artículo CAS Google Académico

Polotskaya, GA, Meleshko, TK, Gofman, IV, Polotsky, AE & Cherkasov, AN Membranas de ultrafiltración de poliimida con alta estabilidad térmica y durabilidad química. Ciencia sep. Tecnología 44, 3814–3831. https://doi.org/10.1080/01496390903256166 (2009).

Artículo CAS Google Académico

Ohya, H., Kudryavtsev, VV y Semenova, S.I. Membranas de poliimida. vol. 314. (Gordon & Breach Publishers, 1996).

Liu, R., Qiao, X. y Chung, T.-S. El desarrollo de fibras huecas de copoliimida P84 de alto rendimiento para la deshidratación por pervaporación de isopropanol. química Ing. ciencia 60, 6674–6686. https://doi.org/10.1016/j.ces.2005.05.066 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Yang, C. et al. Preparación y caracterización de membranas de ultrafiltración de poliimida resistentes a ácidos y disolventes. aplicación Navegar. ciencia 483, 278–284. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.03.226 (2019).

Artículo ADS CAS Google Académico

Pulyalina, AYu., Polotskaya, GA & Toikka, AM Materiales de membrana basados ​​en poliheteroarilenos y su aplicación para pervaporación. Ruso. química Rev. 85(1), 81–98 (2016).

Artículo ADS CAS Google Académico

Volgin, IV et al. Propiedades de transporte de la poliimida termoplástica R-BAPB: simulaciones y experimentos de dinámica molecular. Polímeros 11, 1775. https://doi.org/10.3390/polym11111775 (2019).

Artículo CAS PubMed Central Google Académico

Pulyalina, A. et al. Preparación y caracterización de membranas selectivas de metanol basadas en complejos de poliheteroarileno-Cu(I) para la purificación de metil terbutil éter. polim. En t. 66(12), 1873–1882. https://doi.org/10.1002/pi.5463 (2017).

Artículo CAS Google Académico

Pulyalina, A. et al. Sorción y transporte de soluciones acuosas de isopropanol en compuestos de poliimida-poli(anilina-co-antranílico ácido). Ruso. Aplicación J. química 84(5), 840–846. https://doi.org/10.1134/S107042721105017X (2011).

Artículo CAS Google Académico

Pulyalina, A. et al. Nuevo enfoque para la determinación de la sorción en el proceso de pervaporación: un estudio de caso de deshidratación de isopropanol por membranas de poliamidoimida urea. ciencia Rep. 7, 8415. https://doi.org/10.1038/s41598-017-08420-0 (2017).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Helali, N., Shamaei, L., Rastgar, M. y Sadrzadeh, M. Desarrollo de membranas de poliamida-imida ensambladas capa por capa para el tratamiento de agua producida en arenas bituminosas. ciencia Rep. 11, 8098. https://doi.org/10.1038/s41598-021-87601-4 (2021).

Artículo ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Polotskaya, G. et al. Membranas asimétricas a base de copoliheteroarilenos con unidades imida, biquinolina y oxazinona: Formación y caracterización. Polímeros 11(10), 1542. https://doi.org/10.3390/polym11101542 (2019).

Artículo CAS PubMed Central Google Académico

Volgin, IV Propiedades de transporte de la poliimida termoplástica R-BAPB: simulaciones y experimentos de dinámica molecular. Polímeros 11(11), 1775. https://doi.org/10.3390/polym11111775 (2019).

Artículo CAS PubMed Central Google Académico

Blanco, LS Propiedades de transporte de una membrana de nanofiltración de poliimida resistente a disolventes. J. Miembro ciencia 205, 191–202 (2005).

Artículo Google Académico

Barsema, JN, Kapantaidakis, GC, van der Vegt, NFA, Koops, GH & Wessling, M. Preparación y caracterización de membranas asimétricas de fibra densa y hueca altamente selectivas basadas en copoliimida BTDA-TDI/MDI. J. Miembro ciencia 216, 195–205. https://doi.org/10.1016/S0376-7388(03)00071-1 (2003).

Artículo CAS Google Académico

Pulyalina, A., Polotskaya, G., Rostovtseva, V., Pientka, Z. & Toikka, A. Separación de hidrógeno mejorada usando una membrana híbrida compuesta de nanodiamantes y copoliimida P84. Polímeros 10, 828. https://doi.org/10.3390/polym10080828 (2018).

Artículo CAS PubMed Central Google Académico

Qiao, X. y Chung, T.-S. Características fundamentales de sorción, hinchamiento y permeación de membranas de copoliimida P84 para la deshidratación por pervaporación de alcoholes. Ing. Ind. química Res. 44, 8938–8943. https://doi.org/10.1021/ie050836g (2005).

Artículo CAS Google Académico

Mangindaan, DW, Shi, GM y Chung, T.-S. Deshidratación por pervaporación de acetona utilizando membranas de lámina plana de copoliimida P84 modificadas por reticulación en fase de vapor. J. Miembro ciencia 458, 76–85 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Hua, D., Ong, YK, Wang, Y., Yang, T. y Chung, T.-S. Membranas de matriz mixta ZIF-90/P84 para la deshidratación por pervaporación de isopropanol. J. Miembro ciencia 453, 155–167. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2013.10.059 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Pulyalina, AYu., Putintseva, MN, Polotskaya, GA, Rostovtseva, VA y Toikka, AM Purificación por pervaporación de oxigenado a partir de una mezcla azeotrópica de etil terc-butil éter/etanol. Miembro Miembro Tecnología 1(2), 99–106. https://doi.org/10.1134/S2517751619020082 (2019).

Artículo CAS Google Académico

Ren, J. & Li, Z. Desarrollo de láminas planas asimétricas de copoliimida BTDA-TDI/MDI (P84) y membranas de fibra hueca para ultrafiltración: transición morfológica y rendimiento de la membrana. Desalinización 285, 336–344. https://doi.org/10.1016/j.desal.2011.10.024 (2012).

Artículo CAS Google Académico

Ren, J., Li, Z., Wong, F.-S. & Li, D. Desarrollo de membranas asimétricas de fibra hueca de copoliimida BTDA-TDI/MDI (P84) para ultrafiltración: la influencia de la velocidad de corte y la relación de aproximación en la morfología y el rendimiento de la membrana. J. Miembro ciencia 248, 177–188. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2004.09.031 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Yusoff, II et al. Membranas de filtración a presión duraderas basadas en mezclas de polianilina-poliimida P84. polim. Ing. ciencia 5 (T1), E82–E92 (2019).

Artículo Google Académico

Grosso, V. et al. Membranas de poliimida poliméricas y de matriz mixta. Sep. Purif. Tecnología 132, 684–696 (2014).

Artículo CAS Google Académico

Renner, R. Líquidos iónicos: una solución de limpieza industrial. Reinar. ciencia Tecnología 35, 410a–413a (2001).

Artículo ADS CAS Google Académico

Wanga, HH Una nueva alternativa de solvente verde para la preparación de membranas poliméricas a través de la separación de fases no inducida por solventes (NIPS). J. Miembro ciencia 574, 44–54 (2019).

Artículo Google Académico

Lessan, F. & Foudazi, R. Efecto del líquido iónico [EMIM][BF4] sobre las propiedades de las membranas de ultrafiltración. Polímero 210, 122977 (2020).

Artículo CAS Google Académico

Xing, DY, Peng, N. y Chung, T.-S. Formación de membranas de acetato de celulosa mediante inversión de fase utilizando líquido iónico, [BMIM]SCN, como disolvente. Ing. Ind. química Res. 49, 8761–8769 (2010).

Artículo CAS Google Académico

Durmaz, EN & Çulfaz-Emecen, PZ Membranas a base de celulosa por inversión de fase utilizando mezclas de [EMIM]OAc-DMSO como disolvente. química Ing. ciencia 178, 93–103 (2018).

Artículo CAS Google Académico

Grekov, KB Residuos electrónicos y problemas de seguridad (en ruso). ISBN 9785891601796. (SUT, 2018).

Svittsov, AA y Abylgaziev, TZh. Ultrafiltración micelar mejorada (reactivo). Ruso. química Rev. 60(11), 1280–1283 (1991).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Petrov, S. & Stoichev, PA Purificación por ultrafiltración de reactivos de agua contaminada con colorantes reactivos. Filtr. Septiembre https://doi.org/10.1016/S0015-1882(02)80229-4 (2002).

Artículo Google Académico

Leonard, MA & West, TS Reacciones de quelación del ácido 1,2-dihidroxiantraquinona-3-ilmetil-amina-NN-diacético con cationes metálicos en medios acuosos. J. Chem. Soc. 866, 4477–4486. https://doi.org/10.1039/jr9600004477 (1960).

Artículo Google Académico

Marczenko, Z. y Balcerzak, M. Flúor. en Separación, Preconcentración y Espectrofotometría en Análisis Inorgánico (ed. Kloczko, E.). 189–197. (Elsevier, 2000).

Chai, J.-D. & Head-Gordon, M. Funcionales de densidad híbrida corregidos de largo alcance con correcciones de dispersión átomo-átomo amortiguadas. física química química física 10, 6615–6620. https://doi.org/10.1039/B810189B (2008).

Artículo CAS PubMed Google Académico

Frisch, MJ et al. Gaussiana 09, Revisión C.01. (Gaussian, Inc., 2010).

Ochterski, JW Termoquímica en gaussiana. https://gaussian.com/thermo/ (2000).

Cherkasov, AN Un análisis rápido de la estructura de la membrana de ultrafiltración. Ciencia sep. tecnología 40, 2775–2801. https://doi.org/10.1080/01496390500333111 (2005).

Artículo CAS Google Académico

Zheng, Q.-Z. La relación entre la porosidad y el parámetro cinético de formación de membrana en la membrana de ultrafiltración PSF. J. Miembro ciencia 286, 7–11 (2006).

Artículo CAS Google Académico

Barton, AFM CRC Manual de parámetros de solubilidad. vol. 768. (Prensa CRC, 1991).

Tan, X. & Rodrigue, D. Una revisión sobre la preparación de membranas poliméricas porosas. Parte I: Técnicas de producción con polisulfona y poli (fluoruro de vinilideno). Polímeros 11, 1160 (2019).

Artículo Google Académico

Mulder, Membranas de inversión de fase MHV. Preparación de la membrana. vol. 3331. (Prensa Académica, 2000).

Quijada-Maldonado, E. Estudio en planta piloto de destilación extractiva de mezclas de tolueno-metilciclohexano utilizando NMP y el líquido iónico [hmim][TCB] como disolventes. Sep. Purif. Tecnología 166, 196–204 (2016).

Artículo CAS Google Académico

Polotskaya, GA et al. Copoliamidas aromáticas con unidades de antrazolina en el esqueleto: Síntesis, caracterización, aplicación por pervaporación. Polímeros 8(10), 362. https://doi.org/10.3390/polym8100362 (2016).

Artículo CAS PubMed Central Google Académico

Mao, JX Interacciones en el par de iones tetracianoborato de 1-etil-3-metil imidazolio: estudio funcional espectroscópico y de densidad. J. Mol. Estructura. 1038, 12–18 (2013).

Artículo ADS CAS Google Académico

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Esta investigación fue apoyada por la Fundación Rusa para la Ciencia (RSF), número de subvención 18-79-10116. Equipo de los Centros de recursos de la Universidad Estatal de San Petersburgo, a saber, el Centro de recursos interdisciplinario "Nanotecnologías", "Métodos de investigación termogravimétricos y calorimétricos", "Centro de estudios de difracción de rayos X", "Nanofotónica", "Departamento criogénico", " Centro de Cómputo", "Centro de Investigación de Materiales y Análisis Químico" se utilizaron para investigaciones de membranas.

Instituto de Química, Universidad Estatal de San Petersburgo, San Petersburgo, 198504, Federación de Rusia

Alexandra Pulyalina, Vera Tataurova, Anna Senchukova, Alexander Novikov, Ilya Faykov y Galina Polotskaya

Universidad Estatal de Telecomunicaciones Bonch-Bruevich de San Petersburgo, San Petersburgo, 193232, Federación de Rusia

Konstantin Grekov

Instituto de Compuestos Macromoleculares, Academia Rusa de Ciencias, San Petersburgo, 199004, Federación Rusa

galina polotskaya

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La formación de membranas, la investigación fisicoquímica, el análisis de las propiedades de transporte y la redacción de artículos estuvieron a cargo de AP, GP e IFVT, AS y KG también investigaron las propiedades de transporte de las membranas. AN realizó cálculos químicos cuánticos.

Correspondencia a Alexandra Pulyalina.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Pulyalina, A., Grekov, K., Tataurova, V. et al. Efecto del líquido iónico en la formación de membranas de ultrafiltración de copoliimida con rechazo mejorado de La3+. Informe científico 12, 8200 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-12377-0

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Recibido: 07 febrero 2022

Aceptado: 20 de abril de 2022

Publicado: 17 mayo 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-12377-0

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