Sweet spot for membrantykkelse giver bæredygtige adskillelser

Supertynde carbon molecular sieve (CMS) membraner er muligvis ikke bedst til at adskille industrielt vigtige kemiske blandinger. Imidlertid, at sikre, at CMS-filmtykkelsen er helt rigtig, kunne muliggøre mere energieffektiv rensning af kemiske produkter, Det har KAUST-forskere vist.

CMS membraner, som deres navn antyder, kan rense blandinger af væsker eller gasser ved kun at tillade visse molekyler at passere gennem deres subnanometer-store porer. I øjeblikket, den kemiske industri anvender hovedsageligt varmebaserede processer såsom destillation til at adskille produktblandinger, men disse processer forbruger omkring 10 procent af den globale energiproduktion. "Denne situation er meget uholdbar, " siger Wojciech Ogieglo, en forsker ved KAUST. "Vi mener, at en god del af disse energikrævende separationer kunne erstattes af meget mere miljøvenlige membranadskillelser."

CMS-membraner skabes ved at afsætte et lag af kulstofrige polymerer på en passende understøtning, derefter påføre varme for at omdanne polymeren til en mikroporøs CMS-film. "CMS-materialer viser langt den bedste ydeevne til en lang række meget energikrævende membranbaserede gasseparationsapplikationer, " siger gruppeleder Ingo Pinnau.

"Disse materialer er også særligt kemisk robuste, " bemærker Ogieglo. "De er lovende for situationer som plastikproduktion eller drivhusgasopsamling, fordi de fungerer pålideligt selv i meget barske kemiske miljøer og ved høje temperaturer, " han siger.

Et aspekt af CMS-membranforskning er at optimere CMS-filmtykkelsen for at minimere den energi, der kræves for at adskille en kemisk blanding. "Intuitivt, man kunne tro, at jo tyndere membranen er, des bedre, " siger Ogieglo. Et tyndere CMS-lag ville forventes at udgøre den mindste transportmodstand over for molekyler, der passerer gennem dets porer. holdet fandt ud af, at da de lavede CMS-film på under 50 nanometer, CMS-laget var meget kompakt med lav mikroporøsitet. "Sådanne ekstremt tynde film viser sig at udgøre meget mere transportmodstand end forventet, " siger Ogieglo. Tykkere 300 nanometer CMS-film havde betydeligt højere mikroporøsitet, holdet viste.

"Vi mener, at der skal være en sød plet i tykkelsesområdet - ikke for tynd, ikke for tyk – hvor membranydelsen er optimal, Ogieglo siger. "Vi forsøger i øjeblikket at finde ud af, hvor dette søde sted ligger for forskellige typer membranmaterialer."

"Resultaterne vil indgå i holdets bredere indsats for at skabe skalerbare, industriklare CMS-separationsmembraner, " siger Pinnau. "Vi er i øjeblikket ved at opskalere produktionen af ​​CMS-kompositmembraner for at teste deres ydeevne og langsigtede stabilitet i membranmoduler, " tilføjer han.