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NATURAL DEEP EUTECTIC SOLVENTS AS GREENER ALTERNATIVES FOR MEMBRANE PREPARATION
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Decades of persistent efforts to uphold the principles of green and sustainable chemistry and engineering have resulted in the development of numerous solvents intended to replace the industrially (or traditionally) used toxic, volatile, and harsh counterparts. However, achieving similar or enhanced level of performance by alternative solvents is still a challenge. Membranes can be engineered within a scientific and holistic framework, wherein the use of green solvents plays a pivotal role by minimizing environmental impact and supporting sustainable targets. In the past decade, hydrophobic deep eutectic solvents (DESs) have garnered considerable attention as green and environmentally benign alternatives, attributed to their facile synthesis, 100% atom economy, low cost, minimal toxicity, biodegradability, and remarkable tunability. As a step forward, this work explores the role of novel natural hydrophobic DESs to enhance the green metrics associated with polymeric membrane preparation.
In the initial case-study, the hydrophobic DESs were dispersed into a polymer containing continuous phase to formulate DESs-in-water emulsions. Subsequently, the resulting emulsion systems were cast to form emulsion-based membranes by solvent evaporation. Owing to the intrinsic properties of the components of the natural DESs, these membranes exhibited enhanced antioxidant activity, indicating potential for food packaging. In the following study, natural hydrophobic DESs were used for the first time to prepare eutecto gel-based membranes by photo-initiated polymerization to form crosslinked networks. The resulting membrane matrix exhibited stability alongside tunable thermal and mechanical characteristics. In a separate study, hydrophobic DESs were incorporated into ethyl cellulose-based membranes by solvent evaporation method. The inclusion of DES provided a critical plasticizing effect while preserving the membranes’ barrier properties against water vapor and individual gases.
While the previous studies focused on the role of hydrophobic DESs as active agents in membranes, the final study explored DESs as alternative green solvents able to solubilize polymers. Polyimide dope solutions in DES were successfully prepared and cast into flat-sheet membranes by non-solvent induced phase separation. The formation of a spongy asymmetric membrane with dense skin layer showcased high gas separation performance. Collectively, these studies establish hydrophobic DESs as versatile, green processing agents that enable the design of functional membranes with tailored physicochemical and separation characteristics, thereby advancing sustainable membrane technologies.
Décadas de esforços persistentes para defender os princípios da química e engenharia verdes resultaram no desenvolvimento de vários solventes destinados a substituir os seus equivalentes tóxicos, voláteis e agressivos usados industrialmente. As membranas podem ser concebidas utilizando solventes verdes de forma a minimizar o seu impacto ambiental. Na última década, os solventes eutéticos profundos hidrofóbicos (DESs) têm atraído considerável atenção como alternativas ambientalmente benignas, devido à sua síntese fácil, economia atómica de 100%, baixo custo, toxicidade mínima, biodegradabilidade e notável capacidade de ajuste. Este trabalho explora o papel de novos DESs hidrofóbicos naturais para melhorar as métricas ecológicas associadas à preparação de membranas poliméricas. No caso de estudo inicial, os DES hidrofóbicos foram dispersos num polímero contendo fase contínua para formular emulsões DES em água. Posteriormente, os sistemas de emulsão resultantes foram moldados para formar membranas à base de emulsão por evaporação do solvente. Devido às propriedades intrínsecas dos componentes dos DES naturais, essas membranas exibiram uma atividade antioxidante melhorada, com potencial para utilização em embalagem de alimentos. No estudo seguinte, os DES hidrofóbicos naturais foram usados pela primeira vez na preparação de membranas à base de “gel eutecto” por polimerização foto-iniciada para formar redes reticuladas. A matriz da membrana resultante apresentou estabilidade, juntamente com características térmicas e mecânicas ajustáveis. Num estudo adicional, DES hidrofóbicos foram incorporados em membranas à base de etilcelulose pelo método de evaporação do solvente. A inclusão de DES proporcionou um efeito plastificante crítico, preservando as propriedades de barreira das membranas contra o vapor de água e gases individuais. Enquanto os estudos anteriores foram focados no papel dos DES hidrofóbicos como agentes ativos nas membranas, o estudo final explorou os DES como solventes alternativos capazes de solubilizar polímeros. Soluções dopadas com poli-imida em DES foram preparadas com sucesso e moldadas em membranas planas por separação de fases, induzida por não solvente. A formação de uma membrana assimétrica com camada superficial densa apresentou alto desempenho na separação de gases. Coletivamente, estes estudos estabelecem os DES hidrofóbicos como agentes de processamento ecológicos e versáteis que permitem o desenvolvimento de membranas funcionais com características físico-químicas e de separação personalizadas.
Décadas de esforços persistentes para defender os princípios da química e engenharia verdes resultaram no desenvolvimento de vários solventes destinados a substituir os seus equivalentes tóxicos, voláteis e agressivos usados industrialmente. As membranas podem ser concebidas utilizando solventes verdes de forma a minimizar o seu impacto ambiental. Na última década, os solventes eutéticos profundos hidrofóbicos (DESs) têm atraído considerável atenção como alternativas ambientalmente benignas, devido à sua síntese fácil, economia atómica de 100%, baixo custo, toxicidade mínima, biodegradabilidade e notável capacidade de ajuste. Este trabalho explora o papel de novos DESs hidrofóbicos naturais para melhorar as métricas ecológicas associadas à preparação de membranas poliméricas. No caso de estudo inicial, os DES hidrofóbicos foram dispersos num polímero contendo fase contínua para formular emulsões DES em água. Posteriormente, os sistemas de emulsão resultantes foram moldados para formar membranas à base de emulsão por evaporação do solvente. Devido às propriedades intrínsecas dos componentes dos DES naturais, essas membranas exibiram uma atividade antioxidante melhorada, com potencial para utilização em embalagem de alimentos. No estudo seguinte, os DES hidrofóbicos naturais foram usados pela primeira vez na preparação de membranas à base de “gel eutecto” por polimerização foto-iniciada para formar redes reticuladas. A matriz da membrana resultante apresentou estabilidade, juntamente com características térmicas e mecânicas ajustáveis. Num estudo adicional, DES hidrofóbicos foram incorporados em membranas à base de etilcelulose pelo método de evaporação do solvente. A inclusão de DES proporcionou um efeito plastificante crítico, preservando as propriedades de barreira das membranas contra o vapor de água e gases individuais. Enquanto os estudos anteriores foram focados no papel dos DES hidrofóbicos como agentes ativos nas membranas, o estudo final explorou os DES como solventes alternativos capazes de solubilizar polímeros. Soluções dopadas com poli-imida em DES foram preparadas com sucesso e moldadas em membranas planas por separação de fases, induzida por não solvente. A formação de uma membrana assimétrica com camada superficial densa apresentou alto desempenho na separação de gases. Coletivamente, estes estudos estabelecem os DES hidrofóbicos como agentes de processamento ecológicos e versáteis que permitem o desenvolvimento de membranas funcionais com características físico-químicas e de separação personalizadas.
Descrição
Palavras-chave
Sustainability Green solvents Hydrophobic deep eutectic solvents Membrane formation