روشی بهتر برای جداسازی گازها | اخبار MIT

فرآیندهای صنعتی برای جداسازی شیمیایی، از جمله تصفیه گاز طبیعی و تولید اکسیژن و نیتروژن برای مصارف پزشکی یا صنعتی، مجموعاً مسئول حدود 15 درصد از مصرف انرژی در جهان هستند. آنها همچنین به میزان مربوطه به انتشار گازهای گلخانه ای در جهان کمک می کنند. اکنون، محققان MIT و دانشگاه استنفورد نوع جدیدی از غشاء را برای انجام این فرآیندهای جداسازی با تقریباً 1/10 مصرف انرژی و انتشار تولید کرده‌اند.

استفاده از غشاها برای جداسازی مواد شیمیایی بسیار کارآمدتر از فرآیندهایی مانند تقطیر یا جذب شناخته شده است، اما همیشه بین نفوذپذیری – سرعت نفوذ گازها از طریق ماده – و گزینش پذیری – توانایی اجازه دادن به مولکول‌های مورد نظر، تعادل وجود داشته است. عبور کنید در حالی که بقیه را مسدود کنید. به گفته محققان، خانواده جدید مواد غشایی، بر اساس پلیمرهای «نردبان هیدروکربنی»، بر این مبادله غلبه کرده و هم نفوذپذیری بالا و هم گزینش پذیری بسیار خوبی را ارائه می‌کند.

این یافته ها امروز در مجله گزارش شده است علوم پایهدر مقاله ای از یان شیا، دانشیار شیمی در استنفورد؛ زاخاری اسمیت، استادیار مهندسی شیمی در MIT؛ اینگو پینائو، استاد دانشگاه علم و صنعت ملک عبدالله و پنج نفر دیگر.

جداسازی گاز یک فرآیند صنعتی مهم و گسترده است که کاربردهای آن شامل حذف ناخالصی ها و ترکیبات نامطلوب از گاز طبیعی یا بیوگاز، جداسازی اکسیژن و نیتروژن از هوا برای مصارف پزشکی و صنعتی، جداسازی دی اکسید کربن از سایر گازها برای جذب کربن و تولید هیدروژن برای استفاده است. به عنوان سوخت حمل و نقل بدون کربن غشاهای پلیمری نردبانی جدید نویدبخش بهبود چشمگیر عملکرد چنین فرآیندهای جداسازی هستند. برای مثال، با جداسازی دی اکسید کربن از متان، این غشاهای جدید پنج برابر گزینش پذیری و 100 برابر نفوذپذیری غشاهای سلولزی موجود برای این منظور دارند. به طور مشابه، آنها 100 برابر نفوذپذیرتر و سه برابر انتخابی برای جداسازی گاز هیدروژن از متان هستند.

نوع جدیدی از پلیمرها که طی چندین سال اخیر توسط آزمایشگاه Xia توسعه یافته است، به عنوان پلیمرهای نردبانی شناخته می شوند زیرا از رشته های دوتایی که توسط پیوندهای پله مانند به هم متصل شده اند تشکیل شده اند و این پیوندها درجه بالایی از سفتی و پایداری را برای دستگاه فراهم می کند. مواد پلیمری این پلیمرهای نردبانی از طریق شیمی کارآمد و انتخابی که آزمایشگاه Xia به نام CANAL توسعه داده است، سنتز می‌شوند، مخفف انحلال کاتالیستی آرن-نوربورن، که مواد شیمیایی در دسترس را به ساختارهای نردبانی با صدها یا حتی هزاران پله بخیه می‌زند. پلیمرها در یک محلول سنتز می‌شوند، جایی که رشته‌های نوار مانندی سفت و پیچ خورده را تشکیل می‌دهند که به راحتی می‌توان با استفاده از فرآیندهای ریخته‌گری پلیمری موجود در صنعت، به ورقه‌ای نازک با منافذ در مقیاس زیر نانومتری تبدیل شد. اندازه منافذ حاصل را می توان از طریق انتخاب ترکیبات اولیه هیدروکربنی خاص تنظیم کرد. شیا می‌گوید: «این ترکیب شیمیایی و انتخاب بلوک‌های ساختمانی شیمیایی به ما امکان ساخت پلیمرهای نردبانی بسیار سفت و سخت با پیکربندی‌های مختلف را داد.

برای استفاده از پلیمرهای CANAL به عنوان غشاهای انتخابی، این همکاری از تخصص Xia در پلیمرها و تخصص اسمیت در تحقیقات غشایی استفاده کرد. هولدن لای، دانشجوی سابق دکترای استنفورد، بسیاری از توسعه و کاوش در مورد چگونگی تأثیر ساختارهای آنها بر خواص نفوذ گاز را انجام داد. شیا می‌گوید: «از توسعه شیمی جدید تا یافتن ساختارهای پلیمری مناسب که عملکرد جداسازی بالایی را به ارمغان می‌آورد، هشت سال طول کشید.

آزمایشگاه Xia چندین سال گذشته را صرف تغییر ساختار پلیمرهای CANAL کرد تا بفهمد ساختار آنها چگونه بر عملکرد جداسازی آنها تأثیر می گذارد. در کمال تعجب، آنها دریافتند که افزودن پیچ خوردگی های اضافی به پلیمرهای CANAL اصلی خود به طور قابل توجهی استحکام مکانیکی غشاهای آنها را بهبود می بخشد و انتخاب پذیری آنها را برای مولکول هایی با اندازه های مشابه، مانند گازهای اکسیژن و نیتروژن، بدون از دست دادن نفوذپذیری گاز قابل نفوذ تر، افزایش می دهد. انتخاب پذیری در واقع با افزایش سن مواد بهبود می یابد. به گفته محققان، ترکیب گزینش پذیری بالا و نفوذپذیری بالا باعث می شود این مواد در بسیاری از جداسازی های گازی از سایر مواد پلیمری بهتر عمل کنند.

اسمیت می‌گوید امروزه 15 درصد از مصرف جهانی انرژی صرف جداسازی‌های شیمیایی می‌شود و این فرآیندهای جداسازی «اغلب مبتنی بر فناوری‌های قرن‌قدیمی» است. آنها به خوبی کار می کنند، اما ردپای کربن زیادی دارند و مقادیر زیادی انرژی مصرف می کنند. چالش اصلی امروز تلاش برای جایگزینی این فرآیندهای ناپایدار است. او اضافه می‌کند که اکثر این فرآیندها به دمای بالا برای جوشاندن و جوشاندن مجدد محلول‌ها نیاز دارند، و اینها اغلب سخت‌ترین فرآیندها برای برق‌رسانی هستند.

او می گوید برای جداسازی اکسیژن و نیتروژن از هوا، اندازه این دو مولکول تنها 0.18 آنگستروم (ده میلیاردم متر) است. ساخت فیلتری که بتواند آنها را به طور موثر جدا کند “بدون کاهش توان عملیاتی فوق العاده دشوار است.” اما پلیمرهای نردبانی جدید، زمانی که به صورت غشا تولید می شوند، منافذ ریز تولید می کنند که گزینش پذیری بالایی دارند. در برخی موارد، 10 مولکول اکسیژن به ازای هر نیتروژن، با وجود غربال نازک تیغی که برای دسترسی به این نوع انتخاب اندازه لازم است، نفوذ می کند. اسمیت می‌گوید این مواد غشایی جدید «بالاترین ترکیب نفوذپذیری و گزینش پذیری را در بین تمام مواد پلیمری شناخته شده برای بسیاری از کاربردها دارند».

او می افزاید: «از آنجایی که پلیمرهای CANAL قوی و انعطاف پذیر هستند و از آنجایی که در حلال های خاصی محلول هستند، می توانند در عرض چند سال برای استقرار صنعتی مقیاس شوند. یک شرکت اسپین آف MIT به نام Osmoses، به رهبری نویسندگان این مطالعه، اخیرا برنده این جایزه شد مسابقه کارآفرینی 100 هزار دلاری MIT و تا حدودی توسط موتور برای تجاری سازی فناوری

اسمیت می گوید: کاربردهای بالقوه متنوعی برای این مواد در صنعت فرآوری شیمیایی وجود دارد، از جمله جداسازی دی اکسید کربن از سایر مخلوط های گازی به عنوان نوعی کاهش انتشار. امکان دیگر، تصفیه سوخت بیوگاز حاصل از ضایعات کشاورزی به منظور تامین سوخت حمل و نقل بدون کربن است. جداسازی هیدروژن برای تولید سوخت یا ماده اولیه شیمیایی نیز می تواند به طور موثر انجام شود و به گذار به اقتصاد مبتنی بر هیدروژن کمک کند.

تیم نزدیک از محققان به اصلاح این فرآیند برای تسهیل توسعه از مقیاس آزمایشگاهی به صنعتی و درک بهتر جزئیات در مورد اینکه چگونه ساختارهای ماکرومولکولی و بسته‌بندی منجر به گزینش پذیری فوق‌العاده می‌شوند، ادامه می‌دهند. اسمیت می‌گوید که انتظار دارد این فناوری پلت‌فرم در مسیرهای کربن‌زدایی متعدد، که با جداسازی هیدروژن و جذب کربن آغاز می‌شود، نقش داشته باشد، زیرا نیاز مبرمی به این فناوری‌ها برای گذار به اقتصاد بدون کربن وجود دارد.

رایان لایولی، دانشیار مهندسی شیمی و بیومولکولی در جورجیا تک، که در این کار دخالتی نداشت، می‌گوید: «اینها ساختارهای جدید چشمگیری هستند که عملکرد جداسازی گاز فوق‌العاده‌ای دارند. نکته مهم این است که این عملکرد در طول پیری غشا و زمانی که غشاها با مخلوط‌های گاز غلیظ به چالش کشیده می‌شوند، بهبود می‌یابد. … اگر آنها بتوانند این مواد را مقیاس کنند و ماژول های غشایی بسازند، تأثیر عملی بالقوه قابل توجهی وجود دارد.

تیم تحقیقاتی همچنین شامل جون میون آن و اشلی رابینسون در استنفورد، فرانچسکو بندتی در MIT، که اکنون مدیر اجرایی Osmoses است، و ینگه وانگ در دانشگاه علم و فناوری ملک عبدالله در عربستان سعودی بودند. این کار توسط ابتکار گاز طبیعی استانفورد، بورسیه تحقیقاتی اسلون، دفتر علوم پایه انرژی وزارت انرژی ایالات متحده و بنیاد ملی علوم پشتیبانی شد.