En forskare från Missouri University of Science and Technology och hennes team utvecklar teknik som kan hjälpa till att hålla astronauter säkra från koldioxidansamling under flygning och ombord på den internationella rymdstationen.

Dr. Fateme Rezaei, biträdande professor i kemi- och biokemisk teknik vid Missouri S&T, och teamet har utvecklat "robusta strukturer" i mekaniskt starka konfigurationer som är jämförbara med pulver för att adsorbera CO2. Deras fynd rapporterades i American Chemical Society's Tillämpade material och gränssnitt publikationer i september 2016 och februari 2017.

Förutom att hålla astronauterna säkra, tekniken kan förbättra tillförlitligheten och effektiviteten hos nuvarande CO2-avskiljningssystem. Arbetet kan också leda till utveckling av kostnadseffektiva och energieffektiva adsorbentsystem för rening av andra gasströmmar. Industriella gasseparationsprocesser inkluderar naturgasrening, olefin/paraffinseparation och vätgasseparation.

I studien som publicerades i september, Rezaeis team tillverkade 3-D-tryckta 13X och 5A zeolitmonoliter med nya strukturer – bikakor i mönster för korssprickor – för att fånga upp CO2 från luften. ("13X" och "5A" är kommersiella namn på två typer av zeolitmaterial.)

Resultaten indikerade att 3-D-tryckta monoliter med höga zeolitladdningar visar adsorptionsförmåga jämförbar med den hos pulversorbenter, hon säger. Adsorptionskapaciteten för 5A och 13X monoliter var 1,59 och 1,60 millimol per gram, respektive, använder 5, 000 ppm (0,5 procent) CO2 i kväve vid rumstemperatur.

Experimenten visar relativt snabb dynamik för monolitiska strukturer, säger Rezaei. De tryckta zeolitmonoliterna visar god mekanisk stabilitet som så småningom kan förhindra nötning och dammproblem som uppstår i traditionella pellets- och pärlpackningssystem.

"3D-utskriftstekniken erbjuder ett alternativ, kostnadseffektivt och enkelt tillvägagångssätt för att tillverka strukturerade adsorbenter med avstämbara strukturella, kemiska och mekaniska egenskaper för användning i gasseparationsprocesser, " hon säger.

I studien som publicerades i februari, teamet gjorde sedan andra typer av CO2-adsorberande monoliter med samma 3D-utskriftsmetod. Monoliterna tillverkades med användning av kiseldioxiduppburna aminer (aminosilika). Denna klass av material har visat lovande prestanda när det gäller att fånga upp CO2 från gasströmmar. Som zeoliter, 3-D-tryckta aminosilikaadsorbenter uppvisade liknande adsorbentegenskaper som deras pulveranaloger.

Mängden CO2 som tas bort av varje bikaka beror på dess "adsorptionskapacitet, "Rezaei säger, vilket definieras som en millimol CO2 per kilogram av adsorbenten. Koldioxidavlägsnande av monoliten är en cyklisk process, vilket betyder att när den väl är adsorberad och monoliten är mättad, den bör värmas upp för att avlägsna den adsorberade CO2 för att starta nästa cykel.

Dessa tillvägagångssätt är mycket skalbara i jämförelse med pärlor eller pellets, säger Rezaei.

För PEI- och TEPA-aminopolymererna, direkt extrudering av de förtillverkade materialen till en monolit visade sig vara det bästa sättet att formulera dessa adsorbenter. För APS, post-funktionalisering av en bar kiseldioxidmonolit var en användbar strategi för deras formulering.

"Mer arbete måste göras för att ytterligare optimera klistra- och tryckförhållandena för denna klass av material, " säger Rezaei. "Sammantaget, på grundval av våra resultat, 3D-utskriftstekniken verkar vara en lovande metod för att forma aminbaserade adsorbenter till praktiska kontaktorer, såsom monoliter som lätt kan appliceras på storskaliga gasseparationsprocesser."