Nyt membranmateriale fjerner flere urenheder uden behov for giftige opløsningsmidler

Naturgas og biogas er blevet stadig mere populære energikilder i hele verden i de seneste år, takket være deres renere og mere effektive forbrændingsproces sammenlignet med kul og olie.

Imidlertid, tilstedeværelsen af ​​forurenende stoffer såsom kuldioxid i gassen betyder, at den først skal renses, før den kan brændes som brændstof.

Traditionelle processer til rensning af naturgas involverer typisk brug af giftige opløsningsmidler og er ekstremt energikrævende.

Som resultat, forskere har undersøgt brugen af ​​membraner som en måde at fjerne urenheder fra naturgas på en mere omkostningseffektiv og miljøvenlig måde, men at finde et polymermateriale, der kan adskille gasser hurtigt og effektivt, har indtil videre vist sig at være en udfordring.

Nu, i en artikel offentliggjort i dag i tidsskriftet Avancerede materialer , forskere ved MIT beskriver en ny type polymermembran, der dramatisk kan forbedre effektiviteten af ​​naturgasrensning og samtidig reducere dens miljøpåvirkning.

Membranen, som er designet af et tværfagligt forskerhold ved MIT, er i stand til at behandle naturgas meget hurtigere end konventionelle materialer, ifølge hovedforfatter Yuan He, en kandidatstuderende i Institut for Kemi ved MIT.

"Vores design kan behandle meget mere naturgas - fjerne meget mere kuldioxid - på kortere tid, " Han siger.

Eksisterende membraner fremstilles typisk ved hjælp af lineære polymerstrenge, siger Zachary Smith, Joseph R. Mares karriereudviklingsprofessor i kemiteknik ved MIT, der ledede denne forskningsindsats.

"Disse er langkædede polymerer, der ligner kogte spaghetti nudler på molekylært niveau, " siger han. "Du kan gøre disse kogte spaghetti nudler mere stive, og på den måde skaber du mellemrum mellem nudlerne, der ændrer pakningsstrukturen og den afstand, som molekyler kan trænge igennem."

Imidlertid, sådanne materialer er ikke tilstrækkeligt porøse til at tillade kuldioxidmolekyler at trænge igennem dem med en hurtig nok hastighed til at konkurrere med eksisterende oprensningsprocesser.

I stedet for at bruge lange kæder af polymerer, forskerne har designet membraner, hvor trådene ligner hårbørster, med små børstehår på hver tråd. Disse børster gør det muligt for polymererne at adskille gasser meget mere effektivt.

"Vi har en ny designstrategi, hvor vi kan stemme børsterne på hårbørsten, som giver os mulighed for præcist og systematisk at tune materialet, " siger Smith. "Ved at gøre det, vi kan oprette præcise subnanometerafstand, og muliggør de typer interaktioner, vi har brug for, at skabe selektive og meget permeable membraner."

I eksperimenter, membranen var i stand til at modstå hidtil usete kuldioxid-tilførselstryk på op til 51 bar uden at lide af plastificering, rapporterer forskerne. Dette kan sammenlignes med omkring 34 bar for de bedste materialer. Membranen er også 2, 000 -7, 000 gange mere gennemtrængelige end traditionelle membraner, ifølge holdet.

Siden sidekæderne, eller "børster, "kan fordesignes, før den polymeriseres, det er meget lettere at inkorporere en række funktioner i polymeren, ifølge Francesco Benedetti, en gæstende kandidatstuderende i Smiths forskningslaboratorium i Institut for Kemiteknik ved MIT.

Forskningen omfattede også Timothy Swager, John D. MacArthur professor i kemi, og Troy Van Voorhis, Haslam og Dewey professor i kemi, MIT-kandidatstuderende Hong-Zhou Ye og Sharon Lin, M. Grazia DeAngelis ved universitetet i Bologna, og Chao Liu og Yanchuan Zhao ved det kinesiske videnskabsakademi.

"Materialets ydeevne kan justeres ved at lave meget subtile ændringer i sidekæderne, eller børster, at vi prædesigner, " siger Benedetti. "Det er meget vigtigt, fordi det betyder, at vi kan målrette mod meget forskellige applikationer, bare ved at foretage meget subtile ændringer. "

Hvad mere er, forskerne har opdaget, at deres hårbørstepolymerer er bedre i stand til at modstå forhold, der ville få andre membraner til at svigte.

I eksisterende membraner, de langkædede polymerstrenge overlapper hinanden, klæber sammen for at danne solid-state film. Men over tid glider polymertrådene hen over hinanden, skabe en fysisk og kemisk ustabilitet.

I det nye membrandesign, i modsætning, polymerbørsterne er alle forbundet med en langkædet streng, som fungerer som rygrad. Som resultat, de enkelte børster er ude af stand til at bevæge sig, skabe et mere stabilt membranmateriale.

Denne stabilitet giver materialet en hidtil uset modstandsdygtighed over for en proces kendt som plastificering, hvor polymerer svulmer op i nærvær af aggressive råvarer, såsom kuldioxid, siger Smith.

"Vi har set stabilitet, som vi aldrig har set før i traditionelle polymerer, " han siger.

Brug af polymermembraner til gasseparation giver høj energieffektivitet, minimal miljøpåvirkning, og enkel og kontinuerlig drift, men eksisterende kommercielle materialer har lav permeance og moderat selektivitet, gør dem mindre konkurrencedygtige end andre mere energikrævende processer, siger Yan Xia, en assisterende professor i kemi ved Stanford University, som ikke var involveret i undersøgelsen.

"Membranerne fra disse polymerer udviser meget høj permeance for flere industrielt vigtige gasser, " siger Xia. "Yderligere, disse polymerer udviser lidt uønsket plastificering, når gastrykket øges, på trods af deres relativt fleksible rygrad, gør dem til ønskede materialer til carbondioxidrelaterede separationer. "

Forskerne planlægger nu at gennemføre en systematisk undersøgelse af børsternes kemi og struktur, at undersøge, hvordan dette påvirker deres præstationer, Han siger.

"Vi leder efter den mest effektive kemi og struktur til at hjælpe separationsprocessen."

Teamet håber også på at undersøge brugen af ​​deres membrandesign i andre applikationer, herunder kulstofopsamling og -lagring, og endda ved adskillelse af væsker.