خروج گرمای جداسازی شیمیایی صنعتی | اخبار MIT

دنیای مدرن از مواد شیمیایی و سوخت هایی استفاده می کند که برای تولید آنها به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد: جداسازی شیمیایی صنعتی به این دلیل است. 10 تا 15 درصد از کل مصرف انرژی در جهان این به این دلیل است که امروزه بیشتر جداسازی ها برای جوشاندن مواد ناخواسته و جداسازی ترکیبات به گرما متکی هستند.

Osmoses spinout MIT با کاهش نیاز به این همه گرما، جداسازی شیمیایی صنعتی را کارآمدتر می کند. این شرکت که توسط فوق دکترای سابق MIT فرانچسکو ماریا بندتی تاسیس شد. کاترین میزراحی رودریگز ’17, PhD ’22; پروفسور زاخاری اسمیت؛ و Holden Lai، فناوری پلیمری را توسعه داده اند که قادر به فیلتر کردن گازها با گزینش پذیری بی سابقه است.

گازها – متشکل از برخی از کوچکترین مولکول های جهان – از لحاظ تاریخی سخت ترین جداسازی بوده اند. Osmoses می‌گوید که غشاهای آن مشتریان صنعتی را قادر می‌سازد تا تولید را افزایش دهند، انرژی کمتری مصرف کنند و در فضای کمتری نسبت به فرآیندهای جداسازی مبتنی بر حرارت معمولی کار کنند.

Osmoses قبلاً با شرکای خود شروع به کار کرده است تا عملکرد فناوری خود را نشان دهد، از جمله توانایی آن در ارتقاء بیوگاز، که شامل جداسازی CO است.₂ و متان این شرکت همچنین پروژه هایی را برای بازیابی هیدروژن از تاسیسات بزرگ شیمیایی و با مشارکت وزارت انرژی ایالات متحده برای استخراج هلیوم از چاه های هیدروژنی زیرزمینی در دست اجرا دارد.

Benedetti می‌گوید: «تفکیک‌های شیمیایی واقعاً مهم هستند، و آنها گلوگاهی برای نوآوری و پیشرفت در صنعتی هستند که نوآوری چالش برانگیز است، اما یک نیاز وجودی است». ما می‌خواهیم رسیدن به اهداف درآمدی، اهداف کربن‌زدایی و گسترش بازارهایشان برای پیشبرد صنعت را برای مشتریانمان آسان‌تر کنیم.»

جدایی های بهتر

Benedetti در سال 2017 به آزمایشگاه اسمیت در بخش مهندسی شیمی MIT پیوست. سال بعد توسط Mizrahi Rodriguez به او ملحق شد و این زوج چند سال بعد را صرف انجام تحقیقات اساسی در مورد مواد غشایی برای جداسازی گاز کردند، و با شیمیدانان MIT و فراتر از آن، از جمله دکتر Lai در دانشگاه یانفورد در دانشگاه یانفورد همکاری کردند.

من مجذوب پروژه ها شدم [Smith] بندتی می‌گوید: «این کار پرخطر و پاداش بالایی بود، و این چیزی است که من دوست دارم. من این فرصت را داشتم که با شیمیدانان با استعداد کار کنم و آنها در حال سنتز پلیمرهای شگفت انگیز بودند. ایده این بود که ما مهندسان شیمی در MIT این پلیمرها را مطالعه کنیم، شیمیدانان را در برداشتن گام‌های بعدی حمایت کنیم، و یک برنامه کاربردی در دنیای جداسازی پیدا کنیم.

محققان به آرامی روی غشاها تکرار کردند و به تدریج به عملکرد بهتری دست یافتند تا اینکه در سال 2020، گروهی از جمله Lai، Benedetti، Xia و Smith رکوردهای گزینش پذیری جداسازی گاز را با دسته ای از پلیمرهای سه بعدی شکستند که ستون فقرات ساختاری آنها می تواند برای بهینه سازی عملکرد تنظیم شود. آنها طی دو سال آینده حق ثبت اختراعات خود را با استنفورد و MIT ثبت کردند و نتایج خود را در مجله منتشر کردند. علم در سال 2022

Benedetti به یاد می آورد: «ما با تصمیمی مواجه بودیم که با این نوآوری باورنکردنی چه کنیم. “تا آن زمان، ما مقالات زیادی را منتشر کرده بودیم که در آن، به عنوان مقدمه، ردپای عظیم انرژی جداسازی گازهای حرارتی و پتانسیل غشاها برای حل آن را توضیح دادیم. ما به جای اینکه منتظر کسی باشیم که کاغذ را بردارد و کاری با آن انجام دهد، می‌خواهیم تلاش برای تجاری‌سازی فناوری را رهبری کنیم.”

Benedetti با Mizrahi Rodriguez، Lai و مشاور صنعتی Xinjin Zhao PhD ’92 پیوست تا برنامه I-Corps بنیاد ملی علوم را طی کند، برنامه ای که محققان را به چالش می کشد تا با مشتریان بالقوه در صنعت صحبت کنند. محققان با بیش از 100 نفر مصاحبه کردند که تأثیر عظیم فناوری آنها را تأیید کرد.

بندیتی از مرکز نوآوری تکنولوژی ام آی تی دشپنده کمک هزینه دریافت کرد و یکی از اعضای ابتکار انرژی MIT بود. Osmoses همچنین برنده مسابقه کارآفرینی 100 هزار دلاری MIT در سال 2021 شد، همان سالی که شرکت را تأسیس کرد.

Benedetti می‌گوید: «زمان زیادی را صرف صحبت با سهامداران شرکت‌ها کردم و این پنجره‌ای بود به چالش‌هایی که صنعت با آن مواجه است. “این به من کمک کرد تا بفهمم این مشکلی است که آنها با آن روبرو هستند، و به من نشان داد که مشکل بزرگ است. ما متوجه شدیم که اگر بتوانیم مشکل را حل کنیم، می توانیم جهان را تغییر دهیم.”

امروزه بندتی بیش از 90 درصد از آن را می گوید انرژی در صنایع شیمیایی برای جداسازی حرارتی گازها استفاده می شود. یکی مطالعه کنید در طبیعت دریافتند که جایگزینی تقطیر حرارتی می تواند هزینه های انرژی سالانه ایالات متحده را تا 4 میلیارد دلار کاهش دهد و 100 میلیون تن در انتشار دی اکسید کربن صرفه جویی کند.

غشاهای اسمز که از دسته‌ای از مولکول‌ها با ساختارهای قابل تنظیم به نام پلیمرهای نردبانی هیدروکربنی تشکیل شده‌اند، می‌توانند مولکول‌های گاز را با سطوح انتخاب‌پذیری بالا در مقیاس فیلتر کنند. این فناوری اندازه سیستم‌های جداسازی را کاهش می‌دهد و اضافه کردن آن به فضاهای موجود را آسان‌تر می‌کند و هزینه‌های اولیه را برای مشتریان کاهش می‌دهد.

Benedetti می‌گوید: «این فناوری یک تغییر پارادایم با توجه به نحوه وقوع بیشتر جدایی‌ها در صنعت امروز است. این امر به هیچ فرآیند حرارتی نیاز ندارد، به همین دلیل است که صنایع شیمیایی و پتروشیمی مصرف انرژی بالایی دارند. امروزه به دلیل استفاده از سیستم های سنتی، ناکارآمدی های زیادی در نحوه جداسازی وجود دارد.

از آزمایشگاه تا دنیا

در آزمایشگاه، بنیانگذاران تک گرم از پلیمرهای غشایی خود را برای آزمایش می ساختند. از آن زمان، آنها تولید را به طرز چشمگیری افزایش داده اند و هزینه مواد را با چشم اندازی به تولید صدها کیلوگرم بالقوه در آینده کاهش داده اند.

این شرکت در حال حاضر در حال کار بر روی اولین پروژه آزمایشی خود برای ارتقاء بیوگاز در محل دفن زباله است که توسط یک شرکت بزرگ در کانادا اداره می شود. همچنین در حال برنامه ریزی آزمایشی در یک مزرعه لبنی در کانادا است. میزراحی رودریگز می‌گوید گازهای زائد از محل‌های دفن زباله و کشاورزی بیش از 80 درصد از بازار ارتقای بیوگاز را تشکیل می‌دهد و منبع جایگزین امیدوارکننده‌ای برای متان تجدیدپذیر برای مشتریان است.

Benedetti با اشاره به اینکه Osmoses قصد دارد پروژه های آزمایشی خود را افزایش دهد، می گوید: “در یکی دو سال آینده، هدف ما اعتبارسنجی این فناوری در مقیاس است.” این موفقیت بزرگی بوده است که خلبانان تامین مالی شده را در تمام نقاط عمودی ایمن کنیم که به عنوان سکوی پرشی برای فاز تجاری بعدی ما خواهد بود.”

دو پروژه آزمایشی دیگر Osmoses بر بازیابی گاز ارزشمند از جمله هلیوم با وزارت انرژی متمرکز است.

میزراحی رودریگز توضیح می‌دهد: «هلیوم یک منبع کمیاب است که ما برای کاربردهای مختلف مانند MRI به آن نیاز داریم و عملکرد بالای غشاهای ما می‌تواند برای استخراج مقادیر کمی از آن از چاه‌های زیرزمینی استفاده شود. هلیم در صنعت نیمه هادی برای ساخت تراشه ها و واحدهای پردازش گرافیکی که به انقلاب هوش مصنوعی نیرو می بخشد بسیار مهم است. این یک منبع استراتژیک است که ایالات متحده علاقه فزاینده ای به تولید داخلی دارد.

Benedetti می‌گوید در ادامه، فناوری Osmoses می‌تواند در جذب کربن، شیرین‌سازی گاز برای حذف گازهای اسیدی از گاز طبیعی، جداسازی اکسیژن و نیتروژن، استفاده مجدد از مبردها و موارد دیگر استفاده شود.

Benedetti می‌گوید: «برای انجام مأموریت خود در بازتعریف ستون فقرات صنایع شیمیایی، پتروشیمی و انرژی، توانایی‌ها و بازارهای ما به تدریج گسترش خواهد یافت.» «جدایی‌ها دیگر نباید گلوگاهی برای نوآوری و پیشرفت باشند.»