En kontrollerbar membran til at trække kuldioxid ud af udstødningsstrømmene

Et nyt system udviklet af kemiske ingeniører ved MIT kunne give en måde til kontinuerligt at fjerne kuldioxid fra en strøm af affaldsgasser, eller endda fra luften. Nøglekomponenten er en elektrokemisk assisteret membran, hvis permeabilitet for gas kan tændes og slukkes efter ønske, bruger ingen bevægelige dele og relativt lidt energi.

Selve membranerne, lavet af anodiseret aluminiumoxid, har en honeycomb-lignende struktur, der består af sekskantede åbninger, der tillader gasmolekyler at strømme ind og ud, når de er i åben tilstand. Imidlertid, gaspassage kan blokeres, når et tyndt lag metal afsættes elektrisk for at dække membranens porer. Arbejdet er beskrevet i journalen Videnskabens fremskridt , i et papir af professor T. Alan Hatton, postdoc Yayuan Liu, og fire andre.

Denne nye "gas gating"-mekanisme kan anvendes til den kontinuerlige fjernelse af kuldioxid fra en række industrielle udstødningsstrømme og fra den omgivende luft, siger holdet. De har bygget en proof-of-concept-enhed til at vise denne proces i aktion.

Enheden bruger et redoxaktivt kulabsorberende materiale, klemt mellem to omskiftelige gas-porte-membraner. Sorbenten og åbningsmembranerne er i tæt kontakt med hinanden og er nedsænket i en organisk elektrolyt for at tilvejebringe et medium for zinkioner til at bevæge sig frem og tilbage. Disse to gating-membraner kan åbnes eller lukkes elektrisk ved at skifte polariteten af ​​en spænding mellem dem, får zink-ioner til at bevæge sig fra den ene side til den anden. Ionerne blokerer samtidig den ene side, ved at danne en metallisk film over det, mens du åbner den anden, ved at opløse sin film væk.

Når sorbentlaget er åbent til den side, hvor affaldsgasserne strømmer forbi, materialet opsuger let kuldioxid, indtil det når sin kapacitet. Spændingen kan derefter skiftes til at spærre fodersiden af ​​og åbne den anden side, hvor en koncentreret strøm af næsten ren kuldioxid frigives.

Ved at bygge et system med vekslende membransektioner, der fungerer i modsatte faser, systemet ville give mulighed for kontinuerlig drift i et miljø som f.eks. en industriel scrubber. Til en hver tid, halvdelen af ​​sektionerne ville absorbere gassen, mens den anden halvdel ville frigive den.

"Det betyder, at du har en fødestrøm, der kommer ind i systemet i den ene ende, og at produktstrømmen forlader den anden i en tilsyneladende kontinuerlig drift, Hatton siger. "Denne tilgang undgår mange procesproblemer", der ville være involveret i et traditionelt flersøjlesystem, hvor adsorptionslejer skiftevis skal lukkes ned, renset, og derefter regenereret, før den igen udsættes for fødegassen for at begynde den næste adsorptionscyklus. I det nye system, udrensningstrinene er ikke nødvendige, og trinene foregår alle rent inde i selve enheden.

Forskernes vigtigste innovation var at bruge galvanisering som en måde at åbne og lukke porerne i et materiale. Undervejs havde holdet prøvet en række andre tilgange til reversibelt at lukke porer i et membranmateriale, såsom at bruge små magnetiske kugler, der kan placeres til at blokere tragtformede åbninger, men disse andre metoder viste sig ikke at være effektive nok. Metal tynde film kan være særligt effektive som gasbarrierer, og det ultratynde lag, der bruges i det nye system, kræver en minimal mængde af zinkmaterialet, som er rigeligt og billigt.

"Det giver et meget ensartet belægningslag med et minimum af materialer, " siger Liu. En væsentlig fordel ved galvaniseringsmetoden er, at når tilstanden er ændret, enten i åben eller lukket position, det kræver ingen energitilførsel for at opretholde denne tilstand. Der kræves kun energi for at skifte tilbage igen.

Potentielt, et sådant system kunne yde et vigtigt bidrag til at begrænse emissioner af drivhusgasser til atmosfæren, og endda direkte luftopsamling af kuldioxid, der allerede er blevet udledt.

Mens holdets oprindelige fokus var på udfordringen med at adskille kuldioxid fra en strøm af gasser, systemet kunne faktisk tilpasses til en lang række forskellige kemiske separations- og oprensningsprocesser, siger Hatton.

"Vi er ret begejstrede for portmekanismen. Jeg tror, ​​vi kan bruge den i en række forskellige applikationer, i forskellige konfigurationer, " siger han. "Måske i mikrofluidiske enheder, eller måske kunne vi bruge det til at styre gassammensætningen til en kemisk reaktion. Der er mange forskellige muligheder."

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.