Ny polymermembranteknologi forbedrer effektiviteten af ​​kuldioxidopsamling

Forskere har udviklet en ny membranteknologi, der muliggør mere effektiv fjernelse af kuldioxid (CO₂ ) fra blandede gasser, såsom emissioner fra kraftværker.

"For at demonstrere evnen af ​​vores nye membraner, så vi på blandinger af CO₂ og nitrogen, fordi CO₂ /nitrogendioxidblandinger er særligt relevante i forbindelse med reduktion af drivhusgasemissioner fra kraftværker," siger Rich Spontak, co-korresponderende forfatter til et papir om arbejdet. "Og vi har demonstreret, at vi i høj grad kan forbedre selektiviteten af ​​membraner for at fjerne CO₂ samtidig med at den bevarer relativt høj CO₂ permeabilitet."

"Vi så også på blandinger af CO₂ og metan, som er vigtigt for naturgasindustrien," siger Spontak, som er en fremtrædende professor i kemisk og biomolekylær ingeniørvidenskab og professor i materialevidenskab og -teknik ved North Carolina State University. "Derudover er disse CO₂ -filtrerende membraner kan bruges i enhver situation, hvor man skal fjerne CO₂ fra blandede gasser – uanset om det er en biomedicinsk applikation eller skrubning af CO₂ fra luften i en ubåd."

Membraner er en attraktiv teknologi til at fjerne CO₂ fra blandede gasser, fordi de ikke fylder meget fysisk, de kan laves i mange forskellige størrelser, og de kan nemt udskiftes. Den anden teknologi, der ofte bruges til CO₂ fjernelse er kemisk absorption, som involverer bobling af blandede gasser gennem en kolonne, der indeholder en flydende amin - som fjerner CO₂ fra gassen. Imidlertid har absorptionsteknologier et betydeligt større fodaftryk, og flydende aminer har tendens til at være giftige og ætsende.

Disse membranfiltre virker ved at tillade CO₂ at passere gennem membranen hurtigere end de andre bestanddele i den blandede gas. Som et resultat har gassen, der passerer ud på den anden side af membranen, en højere andel af CO₂ end gassen, der kommer ind i membranen. Ved at opfange gassen, der passerer ud af membranen, opfanger du mere af CO₂ end du gør af de øvrige gasser.

En langvarig udfordring for sådanne membraner har været en afvejning mellem permeabilitet og selektivitet. Jo højere permeabiliteten er, jo hurtigere kan du flytte gas gennem membranen. Men når permeabiliteten stiger, falder selektiviteten - hvilket betyder, at nitrogen eller andre bestanddele også passerer gennem membranen hurtigt - hvilket reducerer forholdet mellem CO₂ til andre gasser i blandingen. Med andre ord, når selektiviteten falder, fanger du relativt mindre CO₂ .

Forskerholdet fra USA og Norge adresserede dette problem ved at dyrke kemisk aktive polymerkæder, der både er hydrofile og CO₂ -filisk på overfladen af ​​eksisterende membraner. Dette øger CO₂ selektivitet og forårsager relativt lille reduktion i permeabilitet.

"Kort sagt, med en lille ændring i permeabilitet har vi vist, at vi kan øge selektiviteten med så meget som omkring 150 gange," siger Marius Sandru, medkorrespondrende forfatter til papiret og seniorforsker ved SINTEF Industry, en uafhængig forskning organisation i Norge. "Så vi fanger meget mere CO₂ , i forhold til de andre arter i gasblandinger."

Endnu en udfordring for membran CO₂ filtre har været omkostninger. Jo mere effektive tidligere membranteknologier var, desto dyrere havde de en tendens til at være.

"Fordi vi ønskede at skabe en teknologi, der er kommercielt levedygtig, startede vores teknologi med membraner, der allerede er i udbredt brug," siger Spontak. "Vi konstruerede derefter overfladen af ​​disse membraner for at forbedre selektiviteten. Og selvom dette øger omkostningerne, tror vi, at de modificerede membraner stadig vil være omkostningseffektive."

"Vores næste skridt er at se, i hvilket omfang de teknikker, vi udviklede her, kunne anvendes på andre polymerer for at få sammenlignelige eller endda overlegne resultater; og at opskalere nanofabrikationsprocessen," siger Sandru. "Helt ærligt, selvom resultaterne her har været intet mindre end spændende, har vi endnu ikke forsøgt at optimere denne modifikationsproces. Vores papir rapporterer proof-of-concept resultater."

Forskerne er også interesserede i at udforske andre applikationer, såsom om den nye membranteknologi kan bruges i biomedicinske ventilatoranordninger eller filtreringsanordninger i akvakultursektoren.

Forskerne siger, at de er åbne for at arbejde sammen med industripartnere om at udforske ethvert af disse spørgsmål eller muligheder for at hjælpe med at afbøde globale klimaændringer og forbedre enhedens funktion.

Artiklen er publiceret i tidsskriftet Science . + Udforsk yderligere

Bare tilsæt vand:Enkelt trin øger polymerens evne til at filtrere kuldioxid fra blandede gasser