На промышленные процессы химического разделения, включая очистку природного газа и производство кислорода и азота для медицинских или промышленных целей, приходится около 15 процентов мирового потребления энергии. Они также вносят соответствующий вклад в мировые выбросы парниковых газов. Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Стэнфордского университета разработали новый тип мембраны для проведения этих процессов разделения, при этом потребление энергии и выбросы составляют примерно 1/10 часть энергии.
Известно, что использование мембран для разделения химических веществ гораздо более эффективно, чем такие процессы, как дистилляция или абсорбция, но всегда существовал компромисс между проницаемостью (насколько быстро газы могут проникать через материал) и селективностью (способностью пропускать нужные молекулы) пройти, блокируя все остальные. По словам исследователей, новое семейство мембранных материалов, основанных на полимерах «углеводородной лестницы», преодолевает этот компромисс, обеспечивая как высокую проницаемость, так и чрезвычайно хорошую селективность.
О результатах сообщается в журнале Science в статье Ян Ся, доцента химии в Стэнфорде; Закари Смит, доцент кафедры химического машиностроения Массачусетского технологического института; Инго Пиннау, профессор Университета науки и технологий имени короля Абдуллы, и еще пять человек.
Газоразделение является важным и широко распространенным промышленным процессом, применение которого включает удаление примесей и нежелательных соединений из природного газа или биогаза, выделение кислорода и азота из воздуха для медицинских и промышленных целей, отделение диоксида углерода от других газов для улавливания углерода и производство водорода для использования. как безуглеродное транспортное топливо. Новые ступенчатые полимерные мембраны обещают радикально улучшить характеристики таких процессов разделения. Например, при отделении диоксида углерода от метана эти новые мембраны обладают в пять раз большей селективностью и в 100 раз большей проницаемостью по сравнению с существующими для этой цели целлюлозными мембранами. Точно так же они в 100 раз более проницаемы и в три раза более селективны для отделения газообразного водорода от метана.
Полимеры нового типа, разработанные за последние несколько лет лабораторией Xia, называются лестничными полимерами, потому что они образованы из двойных цепей, соединенных ступенчатыми связями, и эти связи обеспечивают высокую степень жесткости и стабильности. полимерный материал. Эти лестничные полимеры синтезируются с помощью эффективной и селективной химии, разработанной лабораторией Xia под названием CANAL, аббревиатура от каталитического арен-норборненового аннелирования, которая сшивает легкодоступные химические вещества в лестничные структуры с сотнями или даже тысячами ступеней. Полимеры синтезируются в растворе, где они образуют жесткие и изогнутые лентообразные нити, которые можно легко превратить в тонкий лист с порами субнанометрового размера с помощью доступных в промышленности процессов литья полимеров. Размеры получаемых пор можно регулировать путем выбора конкретных исходных углеводородных соединений. «Эта химия и выбор химических строительных блоков позволили нам производить очень жесткие лестничные полимеры с различными конфигурациями», — говорит Ся.
Чтобы применить полимеры CANAL в качестве селективных мембран, участники сотрудничества использовали опыт Ся в области полимеров и специализацию Смита в исследованиях мембран. Холден Лай, бывший аспирант Стэнфорда, провел большую часть разработки и исследования того, как их структуры влияют на свойства газопроницаемости. «Нам потребовалось восемь лет от разработки нового химического состава до поиска подходящих полимерных структур, обеспечивающих высокую эффективность разделения», — говорит Ся.
Лаборатория Xia провела последние несколько лет, изменяя структуру полимеров CANAL, чтобы понять, как их структура влияет на эффективность разделения. Удивительно, но они обнаружили, что добавление дополнительных перегибов к их исходным полимерам CANAL значительно улучшило механическую прочность их мембран и повысило их селективность по отношению к молекулам аналогичного размера, таким как газы кислорода и азота, без потери проницаемости для более проницаемого газа. Селективность фактически улучшается по мере старения материала. По словам исследователей, сочетание высокой селективности и высокой проницаемости позволяет этим материалам превосходить все другие полимерные материалы во многих процессах разделения газов.
Сегодня 15 процентов мирового потребления энергии идет на химическое разделение, и эти процессы разделения «часто основаны на технологиях столетней давности», говорит Смит. «Они работают хорошо, но имеют огромный углеродный след и потребляют огромное количество энергии. Основная задача сегодня — попытаться заменить эти неустойчивые процессы». Он добавляет, что для большинства этих процессов требуются высокие температуры для кипячения и повторного кипячения растворов, и зачастую эти процессы труднее всего электрифицировать.
По его словам, при отделении кислорода и азота от воздуха две молекулы отличаются по размеру примерно на 0,18 ангстрема (десятимиллиардные доли метра). Создать фильтр, способный эффективно их разделять, «невероятно сложно без снижения пропускной способности». Но новые лестничные полимеры при производстве мембран образуют крошечные поры, которые обеспечивают высокую селективность, говорит он. В некоторых случаях на каждый атом азота проникает 10 молекул кислорода, несмотря на то, что для доступа к этому типу селективности по размерам требуется очень тонкое сито. Эти новые мембранные материалы обладают «самым высоким сочетанием проницаемости и селективности среди всех известных полимерных материалов для многих применений», — говорит Смит.
«Поскольку полимеры CANAL прочны и пластичны, а также поскольку они растворимы в определенных растворителях, их можно масштабировать для промышленного использования в течение нескольких лет», — добавляет он. Дочерняя компания Массачусетского технологического института под названием Osmoses, возглавляемая авторами этого исследования, недавно выиграла конкурс предпринимательства Массачусетского технологического института с призовым фондом 100 000 долларов и частично финансируется The Engine для коммерциализации технологии.
По словам Смита, существует множество потенциальных применений этих материалов в химической промышленности, включая отделение углекислого газа от других газовых смесей в качестве формы сокращения выбросов. Другой возможностью является очистка биогазового топлива из сельскохозяйственных отходов с целью получения безуглеродного транспортного топлива. Выделение водорода для производства топлива или химического сырья также можно было бы проводить эффективно, способствуя переходу к экономике, основанной на водороде.
Сплоченная команда исследователей продолжает совершенствовать процесс, чтобы облегчить переход от лабораторного к промышленному масштабу и лучше понять детали того, как макромолекулярные структуры и упаковка приводят к сверхвысокой селективности. Смит говорит, что он ожидает, что эта технология платформы будет играть роль во многих направлениях обезуглероживания, начиная с выделения водорода и улавливания углерода, потому что существует острая потребность в этих технологиях для перехода к безуглеродной экономике.
В исследовательскую группу также входили Джун Мьюн Ан и Эшли Робинсон из Стэнфорда, Франческо Бенедетти из Массачусетского технологического института, ныне главный исполнительный директор Osmoses, и Инге Ван из Университета науки и технологий имени короля Абдуллы в Саудовской Аравии.
