Nyt membranmateriale kunne gøre rensning af gasser væsentligt mere effektiv

Industrielle processer til kemisk adskillelse, herunder naturgasrensning og produktion af oxygen og nitrogen til medicinsk eller industriel brug, er tilsammen ansvarlige for omkring 15 procent af verdens energiforbrug. De bidrager også med et tilsvarende beløb til verdens udledning af drivhusgasser. Nu har forskere ved MIT og Stanford University udviklet en ny slags membran til at udføre disse separationsprocesser med omkring 1/10 af energiforbruget og emissionerne.

Brug af membraner til separation af kemikalier er kendt for at være meget mere effektivt end processer som destillation eller absorption, men der har altid været en afvejning mellem permeabilitet - hvor hurtigt gasser kan trænge gennem materialet - og selektivitet - evnen til at lade de ønskede molekyler. passere igennem, mens alle andre blokeres. Den nye familie af membranmaterialer, baseret på "carbonhydridstige"-polymerer, overvinder denne afvejning og giver både høj permeabilitet og ekstremt god selektivitet, siger forskerne.

Resultaterne er rapporteret i tidsskriftet Science , i et papir af Yan Xia, en lektor i kemi ved Stanford; Zachary Smith, en assisterende professor i kemiteknik ved MIT; Ingo Pinnau, professor ved King Abdullah University of Science and Technology, og fem andre.

Gasadskillelse er en vigtig og udbredt industriel proces, hvis anvendelse omfatter fjernelse af urenheder og uønskede forbindelser fra naturgas eller biogas, adskillelse af ilt og nitrogen fra luft til medicinske og industrielle formål, adskillelse af kuldioxid fra andre gasser til kulstoffangst og fremstilling af brint til brug. som et kulstoffrit transportbrændstof. De nye stigepolymermembraner viser løfte om drastisk at forbedre ydeevnen af ​​sådanne separationsprocesser. For eksempel ved at adskille kuldioxid fra metan, har disse nye membraner fem gange selektiviteten og 100 gange permeabiliteten af ​​eksisterende cellulosemembraner til dette formål. På samme måde er de 100 gange mere permeable og tre gange så selektive til at adskille brintgas fra metan.

Den nye type polymerer, udviklet i løbet af de sidste mange år af Xia-laboratoriet, omtales som stigepolymerer, fordi de er dannet af dobbeltstrenge forbundet med trinlignende bindinger, og disse bindinger giver en høj grad af stivhed og stabilitet til polymer materiale. Disse stigepolymerer syntetiseres via en effektiv og selektiv kemi, som Xia-laboratoriet udviklede kaldet CANAL, et akronym for katalytisk aren-norbornen-annulering, som syr let tilgængelige kemikalier ind i stigestrukturer med hundredvis eller endda tusindvis af trin. Polymererne syntetiseres i en opløsning, hvor de danner stive og knækkede båndlignende tråde, der nemt kan laves til en tynd plade med sub-nanometer-skala porer ved at bruge industrielt tilgængelige polymerstøbeprocesser. Størrelsen af ​​de resulterende porer kan indstilles gennem valget af de specifikke carbonhydrid-udgangsforbindelser. "Denne kemi og valget af kemiske byggesten gjorde det muligt for os at lave meget stive stigepolymerer med forskellige konfigurationer," siger Xia.

For at anvende CANAL-polymererne som selektive membraner gjorde samarbejdet brug af Xias ekspertise inden for polymerer og Smiths specialisering i membranforskning. Holden Lai, en tidligere Stanford ph.d.-studerende, udførte meget af udviklingen og udforskningen af, hvordan deres strukturer påvirker gasgennemtrængningsegenskaber. "Det tog os otte år fra at udvikle den nye kemi til at finde de rigtige polymerstrukturer, der giver den høje separationsydelse," siger Xia.

Xia-laboratoriet brugte de sidste mange år på at variere strukturerne af CANAL-polymerer for at forstå, hvordan deres strukturer påvirker deres separationsydelse. Overraskende nok fandt de ud af, at tilføjelse af yderligere kinks til deres originale CANAL-polymerer markant forbedrede den mekaniske robusthed af deres membraner og øgede deres selektivitet for molekyler af lignende størrelser, såsom oxygen- og nitrogengasser, uden at miste permeabiliteten af ​​den mere permeable gas. Selektiviteten forbedres faktisk, efterhånden som materialet ældes. Kombinationen af ​​høj selektivitet og høj permeabilitet gør, at disse materialer overgår alle andre polymermaterialer i mange gasseparationer, siger forskerne.

I dag går 15 procent af det globale energiforbrug til kemiske adskillelser, og disse adskillelsesprocesser er "ofte baseret på århundredgamle teknologier," siger Smith. "De fungerer godt, men de har et enormt CO2-fodaftryk og forbruger enorme mængder energi. Den vigtigste udfordring i dag er at forsøge at erstatte disse ikke-bæredygtige processer." De fleste af disse processer kræver høje temperaturer til kogning og genkogning af opløsninger, og disse er ofte de sværeste processer at elektrificere, tilføjer han.

Til adskillelse af ilt og nitrogen fra luft adskiller de to molekyler sig kun i størrelse med omkring 0,18 ångstrøm (ti milliardtedele af en meter), siger han. At lave et filter, der er i stand til at adskille dem effektivt, "er utroligt svært at gøre uden at reducere gennemstrømningen." Men de nye stigepolymerer producerer, når de fremstilles til membraner, bittesmå porer, der opnår høj selektivitet, siger han. I nogle tilfælde gennemtrænger 10 oxygenmolekyler for hvert nitrogen, på trods af den knivtynde sigte, der er nødvendig for at få adgang til denne type størrelsesselektivitet. Disse nye membranmaterialer har "den højeste kombination af permeabilitet og selektivitet af alle kendte polymermaterialer til mange anvendelser," siger Smith.

"Fordi CANAL-polymerer er stærke og duktile, og fordi de er opløselige i visse opløsningsmidler, kan de skaleres til industriel anvendelse inden for et par år," tilføjer han. En MIT-spinoff-virksomhed kaldet Osmoses, ledet af forfatterne af denne undersøgelse, vandt for nylig MIT $100K iværksætterkonkurrence og er delvist finansieret af The Engine til at kommercialisere teknologien.

Der er en række potentielle anvendelser for disse materialer i den kemiske procesindustri, siger Smith, herunder adskillelse af kuldioxid fra andre gasblandinger som en form for emissionsreduktion. En anden mulighed er rensning af biogasbrændstof fremstillet af landbrugsaffaldsprodukter for at give kulstoffrit transportbrændstof. Hydrogen separation for producing a fuel or a chemical feedstock, could also be carried out efficiently, helping with the transition to a hydrogen-based economy.

The close-knit team of researchers is continuing to refine the process to facilitate the development from laboratory to industrial scale, and to better understand the details on how the macromolecular structures and packing result in the ultrahigh selectivity. Smith says he expects this platform technology to play a role in multiple decarbonization pathways, starting with hydrogen separation and carbon capture, because there is such a pressing need for these technologies in order to transition to a carbon-free economy.

The research team also included Jun Myun Ahn and Ashley Robinson at Stanford, Francesco Benedetti at MIT, now the chief executive officer at Osmoses, and Yingge Wang at King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia. + Udforsk yderligere

Precision sieving of gases through atomic pores in graphene