Brug af polymere membraner til at rense industrielle adskillelser

Der er snesevis af lovende teknologier under udvikling, der kan reducere energiforbruget eller opfange kulstof på områder, herunder bioteknologi, computer videnskab, nanoteknologi, materialevidenskab, og mere. Ikke alle vil vise sig gennemførlige, men med lidt finansiering og pleje, mange kunne hjælpe med at løse planetens store udfordring.

En sådan løsning er ved at opstå fra nye tilgange til industrielle separationsprocesser. På MIT's Institut for Kemiteknik, Professor Zachary Smith arbejder på nye polymermembraner, der i høj grad kan reducere energiforbruget ved kemiske separationer. Han udfører også længere rækkevidde forskning i at forbedre polymere membraner med nanoskala metal-organiske rammer (MOF'er).

"Vi fremstiller og analyserer ikke kun materialer ud fra det grundlæggende transportprincip, termodynamik og reaktivitet, men vi begynder at tage den viden til at skabe modeller og designe nye materialer med separationsydelse, som aldrig er blevet opnået før, " siger Smith. "Det er spændende at gå fra laboratorieskalaen til at tænke på den store proces, og hvad vil gøre en forskel i samfundet."

Smith rådfører sig ofte med brancheeksperter, som deler indsigt i separationsteknologier. Med Paris-klimaaftalen fra 2015, der hidtil holder sammen, på trods af USA's tilbagetog, den kemiske og petrokemiske industri, hvor Smith primært er fokuseret, begynder at mærke presset for at reducere emissionerne. Industrien søger også at reducere omkostningerne. De varme- og køletårne, der bruges til adskillelser, kræver betydelig energi, og er dyre at bygge og vedligeholde.

Industrielle processer, der anvendes i den kemiske og petrokemiske industri alene, forbruger fra en fjerdedel til en tredjedel af den samlede energi i USA, og separationer står for omkring halvdelen af ​​det, siger Smith. Omkring halvdelen af ​​energiforbruget fra separationer kommer fra destillation, en proces, der kræver ekstrem varme, eller i tilfælde af kryogen destillation, endnu mere energikrævende ekstrem køling.

"Det kræver meget energi at koge og genopkoge blandinger, og det er endnu mere ineffektivt, fordi det kræver faseændringer, " siger Smith. "Membranseparationsteknologi kunne undgå disse faseændringer og bruge langt mindre energi. Polymerer kan gøres fejlfrie, og du kan kaste dem til selektive, 100 nanometer tykke tynde film, der kunne dække en fodboldbane."

Mange forhindringer, der står i vejen, imidlertid. Membranseparationer bruges kun i en lille brøkdel af industrielle gasseparationsprocesser, fordi de polymere membraner "ofte er ineffektive, og kan ikke matche ydeevnen af ​​destillation, " siger Smith. "De nuværende membraner giver ikke nok gennemstrømning - kaldet flux - til højvolumenapplikationer, og de er ofte kemisk og fysisk ustabile, når de bruger mere aggressive foderstrømme."

Mange af disse ydeevneproblemer stammer fra det faktum, at polymerer har tendens til at være amorfe, eller entropisk forstyrret. "Polymerer er nemme at bearbejde og formes til nyttige geometrier, men afstanden, hvor molekyler kan bevæge sig gennem polymermembraner, ændrer sig over tid, " siger Smith. "Det er svært at kontrollere deres porøse indre frie volumen."

De mest krævende separationer kræver størrelse selektivt mellem molekyler på kun en brøkdel af en ångstrøm. For at løse denne udfordring, Smith Lab forsøger at tilføje nanoskalafunktioner og kemisk funktionalitet til polymerer for at opnå finere kornede adskillelser. De nye materialer kan "opsuge en type molekyle og afvise en anden, siger Smith.

For at skabe polymere membraner med højere gennemløb og selektivitet, Smiths team tager nye polymerer udviklet på MIT laboratorier, der kan reageres på skabelonordnet struktur til traditionelle uordnede, amorfe polymerer. Som han forklarer, "Derefter behandler vi dem postsyntetisk på en måde som skabelon i nogle nanometerstore lommer, der skaber diffusionsveje."

Mens Smith Lab har fundet succes med mange af disse teknikker, Det er stadig en udfordring at opnå den flux, der kræves til applikationer med store mængder. Problemet kompliceres af, at der er mere end 200 forskellige typer destillationsseparationsprocesser, der anvendes af den kemiske og petrokemiske industri. Alligevel kan dette også være en fordel, når de forsøger at introducere en ny teknologi – forskere kan lede efter en niche i stedet for at forsøge at ændre branchen fra den ene dag til den anden.

"Vi leder efter mål, hvor vi ville have størst effekt, " siger Smith. "Vores membranteknologi har den fordel at tilbyde et meget mindre fodaftryk, så du kan bruge dem fjerntliggende steder eller på offshore olieplatforme."

På grund af deres lille størrelse og vægt, membraner bliver allerede brugt på fly til at adskille nitrogen fra luft. Nitrogenet bruges derefter til at belægge brændstoftanken for at undgå eksplosioner som den, der bragte TWA Flight 800 ned i 1996. Membraner er også blevet brugt til fjernelse af kuldioxid ved fjerntliggende naturgasbrønde, og har fundet en niche i nogle få større petrokemiske anvendelser såsom brintfjernelse.

Smith sigter mod at udvide til applikationer, der typisk bruger kryogene destillationstårne, som kræver enorm energi for at producere ekstrem kulde. I den petrokemiske industri, disse omfatter ethylen-ethan, nitrogen-methan, og luftadskillelser. Mange plastik forbrugerprodukter er lavet af ethylen, så reduktion af energiomkostningerne i fremstillingen kunne generere enorme fordele.

"Med kryogen destillation, du skal ikke kun adskille molekyler, der er ens i størrelse, men også i termodynamiske egenskaber, " siger Smith. "Destillationskolonnerne kan være 200 eller 300 fod høje med meget høje strømningshastigheder, så adskillelsestogene kan koste op til milliarder af dollars. Den energi, der kræves for at trække vakuum og betjene systemerne ved -120 grader Celsius, er enorm."

Andre potentielle anvendelser for polymermembraner omfatter "at finde andre måder at fjerne CO2 fra nitrogen eller metan på eller adskille forskellige typer paraffiner eller kemiske råstoffer, siger Smith.

Kulstoffangst og -binding er også på radaren. "Hvis der var en økonomisk drivkraft for at opfange CO2 i dag, kulstoffangst ville være den største anvendelse efter volumen for membraner med en faktor på 10, " siger han. "Vi kunne lave et svampelignende materiale, der ville opsuge CO2 og effektivt adskille det, så du kunne sætte det under tryk og opbevare det under jorden."

En udfordring ved anvendelse af polymere membraner i gasseparationer er, at polymererne typisk er lavet af kulbrinter. "Hvis du har den samme type kulbrintekomponenter i din polymer, som du har i fødestrømmen, du forsøger at adskille, polymeren kan svulme eller opløses eller miste sin adskillelsesevne, " siger Smith. "Vi søger at introducere ikke-carbonhydrid-baserede komponenter såsom fluor i polymerer, så membranen interagerer bedre med kulbrinte-baserede blandinger."

Smith eksperimenterer også med at tilføje MOF'er til polymerer. MOF'er, som er dannet ved at forbinde metalioner eller metalklynger med en organisk linker, kan ikke kun løse kulbrinteproblemet, men også spørgsmålet om entropisk lidelse.

"MOF'er lader dig danne en, to, eller tredimensionelle krystalstrukturer, der er permanent porøse, " siger Smith. "En teskefuld MOF'er har et indre overfladeareal af en fodboldbane, så du kan tænke på at funktionalisere de indre overflader af MOF'er til selektivt at binde til eller afvise bestemte molekyler. Du kan også definere poreformen og geometrien for at tillade et molekyle at passere, mens et andet afvises."

I modsætning til polymerer, MOF-strukturer vil typisk ikke ændre form, så porerne er langt mere vedholdende over tid. Ud over, "de nedbrydes ikke som visse polymerer gennem en proces kendt som aldring, " siger Smith. "Udfordringen er, hvordan man inkorporerer krystallinske materialer i en proces, hvor man kan lave dem som tynde film. En tilgang, vi tager, er at sprede MOF'er til polymerer som nanopartikler. Dette ville lade dig udnytte MOF'ernes effektivitet og produktivitet, samtidig med at polymerens forarbejdelighed bibeholdes."

En potentiel fordel ved at introducere MOF-forstærkede polymermembraner er procesintensivering:bundtning af forskellige separations- eller katalytiske processer i et enkelt trin for at opnå større effektivitet. "Du kan tænke på at kombinere en type MOF-materiale, der kunne adskille en gasblanding og tillade blandingen at gennemgå en katalytisk reaktion på samme tid, " siger Smith. "Nogle MOF'er kan også fungere som tværbindingsmidler. I stedet for at bruge polymerer direkte tværbundet sammen, du kan have forbindelser mellem MOF-partikler spredt i en polymermatrix, hvilket ville skabe mere stabilitet for adskillelser."

På grund af deres porøse natur, MOF'er kan potentielt bruges til at "fange brint, metan, eller endda i nogle tilfælde CO2, " siger Smith. "Du kan få meget høj optagelse, hvis du skaber den rigtige type svampelignende struktur. Det er en udfordring, imidlertid, at finde materialer, der selektivt binder en af ​​disse komponenter i meget høj kapacitet."

En lignende applikation for MOF'er ville være opbevaring af brint eller naturgas til brændstof til en bil. "Hvis du bruger et porøst materiale i din brændstoftank, kan du holde mere brint eller metan, siger Smith.

Smith advarer om, at MOF-forskning kan tage årtier, før den opnår frugt. Hans laboratoriums polymerforskning, imidlertid, er meget længere fremme, med kommercielle løsninger, der forventes inden for de næste fem til 10 år.

"Det kunne være en rigtig game changer, " han siger.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT-forskning, innovation og undervisning.