Naukowcy badają lepszy sposób na oddzielanie gazów

Naukowcy z Massachusetts Institute of Technology opracowali nowy rodzaj membrany do oddzielania gazów, zużywając mniej więcej 1/10 energii i emisji. Badanie zostało opublikowane w czasopiśmie Science.

Przemysłowe procesy separacji chemicznej, w tym oczyszczanie gazu ziemnego oraz produkcja tlenu i azotu do zastosowań medycznych lub przemysłowych, łącznie odpowiadają za około 15 procent światowego zużycia energii. W podobny sposób przyczyniają się do globalnej emisji gazów cieplarnianych. Wiadomo, że stosowanie membran do oddzielania chemikaliów jest znacznie bardziej wydajne niż procesy takie jak destylacja lub absorpcja, ale zawsze istniał kompromis między przepuszczalnością – szybkością przenikania gazów przez materiał – a selektywnością – zdolnością do umożliwienia pożądanym cząsteczkom przejść, blokując wszystkie inne.

Nowa rodzina materiałów membranowych, które są oparte na polimerach „drabiny węglowodorowej”, przezwycięża ten kompromis, twierdzą naukowcy, zapewniając wysoką przepuszczalność i bardzo dobrą selektywność. Yan Xia, adiunkt chemii na Uniwersytecie Stanforda; Zachary Smith, adiunkt inżynierii chemicznej na MIT; Ingo Benau, profesor na Uniwersytecie Nauki i Technologii im. Króla Abdullaha i pięciu innych.

Separacja gazów to ważny i szeroko zakrojony proces przemysłowy, którego zastosowania obejmują usuwanie zanieczyszczeń i niepożądanych związków z gazu ziemnego lub biogazu, oddzielanie tlenu i azotu od powietrza do celów medycznych i przemysłowych, oddzielanie dwutlenku węgla od innych gazów w celu wychwytywania węgla oraz wytwarzanie wodoru do wykorzystania jako darmowe paliwo transportowe z węgla. Nowe drabinowe membrany polimerowe dają nadzieję na znaczną poprawę wydajności tych procesów separacji. Na przykład podczas oddzielania dwutlenku węgla od metanu te nowe membrany mają pięciokrotnie większą selektywność i 100-krotnie większą przepuszczalność niż istniejące w tym celu membrany celulozowe. Podobnie jest sto razy bardziej przepuszczalny i trzykrotnie bardziej selektywny w oddzielaniu gazowego wodoru od metanu.

Nowy rodzaj polimeru, opracowany przez laboratorium Xia w ciągu ostatnich kilku lat, był określany jako polimer drabinkowy, ponieważ składa się z podwójnych pasm połączonych wiązaniami podobnymi do stopni, a wiązania te zapewniają wysoki stopień sztywności i stabilności materiał polimerowy. Te polimery drabinkowe są syntetyzowane za pomocą wydajnej i selektywnej chemii opracowanej przez laboratorium Shea o nazwie CANAL, co jest skrótem od analizy katalitycznej areno-norbornen, która osadza łatwo dostępne chemikalia w strukturach drabinkowych o setkach, a nawet tysiącach stopni.

Polimery zostały wyprodukowane w roztworze, w którym tworzą sztywne, zazębiające się pasma przypominające wstęgę, które można łatwo przekształcić w cienką płytkę z porami o wielkości poniżej nanometra przy użyciu dostępnych przemysłowo procesów formowania polimerów. Uzyskane rozmiary porów można dostosować, wybierając określone wyjściowe związki węglowodorowe. „Ta chemia i wybór chemicznych elementów budulcowych pozwoliły nam stworzyć bardzo solidne, spokojne polimery o różnych konfiguracjach” – powiedział Shea.

Aby zastosować polimery CANAL jako membrany selektywne, w ramach współpracy wykorzystano doświadczenie Xia w dziedzinie polimerów oraz specjalizację Smitha w badaniach nad membranami. Holden Lai, były doktorant na Uniwersytecie Stanforda, dokonał wielu badań i badań nad tym, jak ich struktury wpływają na właściwości przepuszczalności gazu. „Zajęło nam osiem lat od opracowania nowej chemii do znalezienia odpowiednich struktur polimerowych, które zapewniają wysoką wydajność separacji” – powiedział Shea.

Laboratorium Shea przez ostatnie kilka lat zmieniało struktury polimerów kanałowych, aby zrozumieć, w jaki sposób ich struktury wpływają na ich wydajność separacji. Co zaskakujące, odkryli, że dodanie dodatkowych załamań do oryginalnych polimerów CANAL znacznie poprawiło wytrzymałość mechaniczną ich folii i zwiększyło ich selektywność dla cząsteczek o podobnych rozmiarach, takich jak gazy tlen i azot, bez utraty przepuszczalności bardziej przepuszczalnego gazu. Selektywność faktycznie poprawia się wraz ze starzeniem się materiałów. Naukowcy stwierdzili, że połączenie wysokiej selektywności i wysokiej przepuszczalności sprawia, że ​​materiały te przewyższają wszystkie inne materiały polimerowe w wielu procesach separacji gazów.

Smith powiedział, że 15 procent globalnego zużycia energii przypada na separację chemiczną, a te separacje często opierają się na stuletnich technologiach. „Działa dobrze, ale ma ogromny ślad węglowy i zużywa ogromne ilości energii. Głównym wyzwaniem w dzisiejszych czasach jest próba zastąpienia tych niezrównoważonych procesów. Większość z tych procesów wymaga wysokich temperatur wrzenia i roztworów do ponownego gotowania, a często jest to trudne elektryzować procesy” – dodał.

Powiedział, że aby oddzielić tlen i azot od powietrza, te dwie cząsteczki różnią się rozmiarem o około 0,18 angstremów (dziesięć miliardowych części metra). Stworzenie filtra zdolnego do ich efektywnego oddzielania jest „niezwykle trudne do wykonania bez zmniejszenia przepustowości”. „Ale nowe polimery drabinkowe, po przetworzeniu w membrany, wytwarzają małe pory, które zapewniają wysoką selektywność” – powiedział.

„W niektórych przypadkach przenika 10 cząsteczek tlenu na azot, pomimo bardzo cienkich sit potrzebnych do osiągnięcia tego rodzaju selektywności wielkości. Te nowe materiały membranowe mają „najwyższą kombinację przepuszczalności i selektywności spośród wszystkich materiałów polimerowych znanych z wielu zastosowań”. Smith powiedział: Ponieważ polimery kanałowe są mocne i elastyczne oraz ponieważ są rozpuszczalne w niektórych rozpuszczalnikach, można je rozszerzyć do zastosowań przemysłowych w ciągu kilku lat”.

Spółka stowarzyszona MIT o nazwie Osmose, kierowana przez autorów tego badania, niedawno wygrała konkurs MIT Entrepreneurship Competition o wartości 100 000 USD i była częściowo finansowana przez The Engine for Technology Marketing. Smith twierdzi, że istnieje wiele potencjalnych zastosowań tych materiałów w przemyśle przetwórstwa chemicznego, w tym oddzielanie dwutlenku węgla od innych mieszanin gazów jako forma redukcji emisji.

Inną możliwością jest oczyszczanie biogazu z odpadów rolniczych w celu dostarczenia bezemisyjnego paliwa transportowego. Oddzielanie wodoru można również przeprowadzić w celu wydajnego wytwarzania paliwa lub surowca chemicznego, pomagając w przejściu na gospodarkę opartą na wodorze. Połączony zespół naukowców kontynuuje ulepszanie procesu, aby ułatwić rozwój od skali laboratoryjnej do przemysłowej i lepiej zrozumieć szczegóły dotyczące tego, w jaki sposób struktury molekularne i opakowanie wpływają na superselektywność.

Smith powiedział, że spodziewa się, że ta technologia platformowa odegra rolę w wielu ścieżkach dekarbonizacji, od separacji wodoru po wychwytywanie dwutlenku węgla, ponieważ technologie te są pilnie potrzebne, aby przejść do gospodarki neutralnej pod względem emisji dwutlenku węgla. (Ani)

(Ta historia nie została edytowana przez personel Devdiscourse i jest automatycznie generowana z udostępnionego kanału.)