Лучший способ разделения газов

Новый мембранный материал может значительно повысить эффективность очистки газов, что потенциально поможет сократить выбросы углекислого газа.

Дэвид Л. Чандлер

MIT News Office

24 марта 2022 года

ЗАПРОСЫ ПРЕССЫ

Новый мембранный материал, изображенный здесь, может сделать очистку газов значительно более эффективной, потенциально помогая сократить выбросы углерода.

Любезно предоставлено исследователями

Промышленные процессы химического разделения, включая очистку природного газа и производство кислорода и азота для медицинских или промышленных целей, коллективно отвечают за 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 вид мембраны для проведения этих процессов разделения с примерно 1/10 энергопотреблением и выбросами.

Известно, что использование мембран для разделения химических веществ гораздо эффективнее таких процессов, как дистилляция или абсорбция, но всегда существовал компромисс между проницаемостью — скоростью проникновения газов через материал — и селективностью — способностью пропускать нужные молекулы, блокируя все остальные. Новое семейство мембранных материалов, основанных на полимерах “углеводородной лестницы”, преодолевает этот компромисс, обеспечивая как высокую проницаемость, так и чрезвычайно хорошую селективность, говорят исследователи.

Результаты опубликованы сегодня в журнале Science, в статье Янь Ся, доцента химии в Стэнфорде; Захари Смит, доцент кафедры химической инженерии в Массачусетском технологическом институте; Инго Пиннау, профессор Университета науки и техники короля Абдаллы, и пять других.

Разделение газов является важным и широко распространенным промышленным процессом, использование которого включает удаление примесей и нежелательных соединений из природного газа или биогаза, отделение кислорода и азота от воздуха для медицинских и промышленных целей, отделение углекислого газа от других газов для улавливания углерода и получение водорода для использования в качестве безуглеродного транспортного топлива. Новые лестничные полимерные мембраны обещают значительно улучшить производительность таких процессов разделения. Например, отделяя углекислый газ от метана, эти новые мембраны обладают в пять раз большей селективностью и в 100 раз большей проницаемостью, чем существующие целлюлозные мембраны для этой цели. Точно так же они в 100 раз более проницаемы и в три раза более селективны для отделения газообразного водорода от метана.

Новый тип полимеров, разработанный за последние несколько лет лабораторией Xia, называют лестничными полимерами, потому что они образованы из двойных нитей, соединенных ступенчатыми связями, и эти связи обеспечивают высокую степень жесткости и стабильности полимерного материала. Эти лестничные полимеры синтезируются с помощью эффективной и селективной химии, разработанной лабораторией Xia, под названием CANAL, аббревиатура каталитического арен-норборненового кольцевания, которая сшивает легкодоступные химические вещества в лестничные структуры с сотнями или даже тысячами ступеней. Полимеры синтезируются в растворе, где они образуют жесткие и изогнутые ленточные нити, которые могут быть легко превращены в тонкий лист с порами субнанометрового масштаба с использованием промышленно доступных процессов литья полимеров. Размеры образующихся пор можно регулировать с помощью выбора конкретных углеводородных исходных соединений. “Эта химия и выбор химических строительных блоков позволили нам сделать очень жесткие лестничные полимеры с различными конфигурациями", - говорит Ся.

Чтобы применить полимеры КАНАЛА в качестве селективных мембран, сотрудничество использовало опыт Ся в области полимеров и специализацию Смита в области мембранных исследований. Холден Лай, бывший докторант Стэнфорда, провел большую часть разработки и исследования того, как их структуры влияют на свойства проникновения газа. “Нам потребовалось восемь лет от разработки новой химии до поиска правильных полимерных структур, которые обеспечивают высокую эффективность разделения”, - говорит Ся.

Лаборатория Ся провела последние несколько лет, варьируя структуру КАНАЛЬНЫХ полимеров, чтобы понять, как их структура влияет на эффективность разделения. Удивительно, но они обнаружили, что добавление дополнительных изгибов к их исходным КАНАЛЬНЫМ полимерам значительно улучшило механическую прочность их мембран и повысило их селективность к молекулам аналогичных размеров, таким как кислород и азот, без потери проницаемости более проницаемого газа. Селективность фактически улучшается по мере старения материала. Сочетание высокой селективности и высокой проницаемости делает эти материалы превосходящими все другие полимерные материалы во многих газоразделениях, говорят исследователи.

Сегодня 15 процентов мирового потребления энергии идет на химическое разделение, и эти процессы разделения “часто основаны на вековых технологиях”, - говорит Смит. - Они хорошо работают, но имеют огромный углеродный след и потребляют огромное количество энергии. Ключевая задача сегодня - попытаться заменить эти неустойчивые процессы ”. Большинство из этих процессов требуют высоких температур для кипячения и кипячения растворов, и это часто самые трудные процессы для электрификации, добавляет он.

Для отделения кислорода и азота от воздуха две молекулы отличаются по размеру примерно на 0,18 ангстрема (десять миллиардных долей метра), говорит он. Сделать фильтр, способный эффективно их разделять, “невероятно трудно без снижения пропускной способности”. Но новые лестничные полимеры при изготовлении мембран производят крошечные поры, которые достигают высокой селективности, говорит он. В некоторых случаях 10 молекул кислорода проникают в каждый азот, несмотря на тонкое сито, необходимое для доступа к этому типу селективности по размеру. Эти новые мембранные материалы обладают “самой высокой комбинацией проницаемости и селективности из всех известных полимерных материалов для многих применений”, - говорит Смит.

“Поскольку КАНАЛЬНЫЕ полимеры прочны и пластичны, а также растворимы в определенных растворителях, их можно было бы масштабировать для промышленного внедрения в течение нескольких лет”, - добавляет он. Компания MIT spinoff под названием Osmoses, возглавляемая авторами этого исследования, недавно выиграла конкурс предпринимательства MIT $ 100K и была частично профинансирована Двигателем 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 одной из форм сокращения выбросов. Другой возможностью является очистка биогазового топлива, полученного из сельскохозяйственных отходов, с целью получения безуглеродного транспортного топлива. Разделение водорода для получения топлива или химического сырья также может быть осуществлено эффективно, что поможет перейти к экономике, основанной на водороде.

Сплоченная команда исследователей продолжает совершенствовать этот процесс, чтобы облегчить разработку от лабораторных до промышленных масштабов и лучше понять детали того, как макромолекулярные структуры и упаковка приводят к сверхвысокой селективности. Смит говорит, что он ожидает, что эта платформенная технология будет играть роль в нескольких путях декарбонизации, начиная с разделения водорода и улавливания углерода, потому что существует такая острая потребность в этих технологиях для перехода к безуглеродной экономике.

“Это впечатляющие новые структуры, которые обладают выдающимися характеристиками разделения газов”, - говорит Райан Лайвли, доцент кафедры химической и биомолекулярной инженерии в Georgia Tech, который не участвовал в этой работе. “Важно отметить, что эта производительность улучшается во время старения мембран и когда мембраны подвергаются воздействию концентрированных газовых смесей. … Если они смогут масштабировать эти материалы и изготавливать мембранные модули, существует значительный потенциальный практический эффект ”.

В исследовательскую группу также входили Джун Мен Ан и Эшли Робинсон из Стэнфорда, Франческо Бенедетти из MIT, ныне главный исполнительный директор Osmoses, и Инге Ван из Университета науки и техники короля Абдаллы в Саудовской Аравии. Эта работа была поддержана Стэнфордской инициативой по природному газу, Исследовательской стипендией Слоана, Управлением фундаментальных энергетических наук Министерства энергетики США и Национальным научным фондом.

ПОДЕЛИТЕСЬЭТОЙ НОВОСТНОЙ СТАТЬЕЙ НА:

БУМАГА

Статья: “Углеводородные лестничные полимеры со сверхвысокой проницаемостью для мембранного газоразделения”

ССЫЛКИ ПО ТЕМЕ

СВЯЗАННЫЕ ТЕМЫ

СТАТЬИ ПО ТЕМЕ

Стартап, улучшающий химическое разделение, выиграл конкурс MIT $ 100K

Более экологичная и эффективная фильтрация природного газа

Использование полимерных мембран для очистки промышленных сепараторов

Больше новостей MIT

Астрономы обнаружили редкую двойную “черную вдову” с самой короткой орбитой

Система вращается вокруг третьего звездного компаньона и, возможно, возникла недалеко от центра Млечного Пути.

Читать полностью →