Det finns mängder av lovande tekniker under utveckling som kan minska energiförbrukningen eller fånga upp kol inom områden inklusive bioteknik, datavetenskap, nanoteknik, materialvetenskap, och mer. Alla kommer inte att visa sig möjliga, men med lite finansiering och omvårdnad, många skulle kunna hjälpa till att lösa planetens stora utmaning.

En sådan lösning kommer från nya tillvägagångssätt för industriella separationsprocesser. Vid MIT:s institution för kemiteknik, Professor Zachary Smith arbetar med nya polymera membran som kraftigt kan minska energianvändningen vid kemisk separation. Han bedriver också forskning med längre räckvidd för att förbättra polymera membran med metallorganiska ramverk i nanoskala (MOF).

"Vi tillverkar och analyserar inte bara material från den grundläggande transportprincipen, termodynamik och reaktivitet, men vi börjar ta den kunskapen för att skapa modeller och designa nya material med separationsprestanda som aldrig har uppnåtts tidigare, " säger Smith. "Det är spännande att gå från labbskalan till att tänka på den stora processen, och vad som kommer att göra skillnad i samhället."

Smith rådgör ofta med branschexperter som delar insikter om separationstekniker. Med klimatavtalet från Paris 2015 som hittills håller ihop, trots USA:s reträtt, den kemiska och petrokemiska industrin där Smith främst är inriktad börjar känna pressen att minska utsläppen. Branschen vill också minska kostnaderna. Värme- och kyltornen som används för separationer kräver avsevärd energi, och är dyra att bygga och underhålla.

Enbart industriella processer som används inom den kemiska och petrokemiska industrin förbrukar från en fjärdedel till en tredjedel av den totala energin i USA, och separationer står för ungefär hälften av det, säger Smith. Ungefär hälften av energiförbrukningen från separationer kommer från destillation, en process som kräver extrem värme, eller i fallet med kryogen destillation, ännu mer energikrävande extrem kyla.

"Det kräver mycket energi att koka och koka om blandningar, och det är ännu mer ineffektivt eftersom det kräver fasförändringar, " säger Smith. "Membranseparationsteknologi skulle kunna undvika dessa fasförändringar och använda mycket mindre energi. Polymerer kan göras defektfria, och du kan kasta dem till selektiva, 100 nanometer tjocka tunna filmer som kan täcka en fotbollsplan."

Många hinder som står i vägen, dock. Membranseparationer används endast i en liten del av industriella gasseparationsprocesser eftersom polymermembranen "ofta är ineffektiva, och kan inte matcha prestanda för destillation, " säger Smith. "De nuvarande membranen ger inte tillräckligt med genomströmning – kallat flux – för tillämpningar med hög volym, och de är ofta kemiskt och fysiskt instabila när de använder mer aggressiva foderströmmar."

Många av dessa prestandaproblem beror på det faktum att polymerer tenderar att vara amorfa, eller entropiskt störd. "Polymerer är lätta att bearbeta och forma till användbara geometrier, men avståndet där molekyler kan röra sig genom polymermembran förändras över tiden, " säger Smith. "Det är svårt att kontrollera deras porösa interna fria volym."

De mest krävande separationerna kräver storlek selektivt mellan molekyler på endast en bråkdel av en ångström. För att möta denna utmaning, Smith Lab försöker lägga till nanoskala egenskaper och kemisk funktionalitet till polymerer för att uppnå finare separationer. De nya materialen kan "suga upp en typ av molekyl och avvisa en annan, säger Smith.

För att skapa polymera membran med högre genomströmning och selektivitet, Smiths team tar nya polymerer utvecklade vid MIT-labb som kan reageras på mallordnad struktur till traditionella oordnade, amorfa polymerer. Som han förklarar, "Vi behandlar dem sedan postsyntetiskt på ett sätt som mallar i några nanometerstora fickor som skapar diffusionsvägar."

Medan Smith Lab har funnit framgång med många av dessa tekniker, att uppnå det flöde som krävs för applikationer med stora volymer är fortfarande en utmaning. Problemet kompliceras av det faktum att det finns mer än 200 olika typer av destillationsseparationsprocesser som används av den kemiska och petrokemiska industrin. Men detta kan också vara en fördel när man försöker introducera en ny teknik – forskare kan leta efter en nisch istället för att försöka förändra branschen över en natt.

"Vi letar efter mål där vi skulle ha störst effekt, " säger Smith. "Vår membranteknologi har fördelen att erbjuda ett mycket mindre fotavtryck, så att du kan använda dem på avlägsna platser eller på oljeplattformar till havs."

På grund av deras ringa storlek och vikt, membran används redan på flygplan för att separera kväve från luft. Kvävet används sedan för att täcka bränsletanken för att undvika explosioner som den som störde TWA Flight 800 1996. Membran har också använts för att avlägsna koldioxid vid avlägsna naturgaskällor, och har hittat en nisch i några större petrokemiska tillämpningar som väteborttagning.

Smith siktar på att expandera till applikationer som vanligtvis använder kryogena destillationstorn, som kräver enorm energi för att producera extrem kyla. Inom den petrokemiska industrin, dessa inkluderar eten-etan, kväve-metan, och luftseparationer. Många konsumentprodukter av plast är gjorda av eten, så att minska energikostnaderna vid tillverkning kan generera enorma fördelar.

"Med kryogen destillation, du måste inte bara separera molekyler som är lika stora, men också i termodynamiska egenskaper, " säger Smith. "Destillationskolonnerna kan vara 200 eller 300 fot höga med mycket höga flödeshastigheter, så separationstågen kan kosta upp till miljarder dollar. Energin som krävs för att dra vakuum och driva systemen vid -120 grader Celsius är enorm."

Andra potentiella tillämpningar för polymermembran inkluderar "att hitta andra sätt att ta bort CO2 från kväve eller metan eller separera olika typer av paraffiner eller kemiska råvaror, säger Smith.

Kolavskiljning och -bindning finns också på radarn. "Om det fanns en ekonomisk drivkraft för att fånga upp CO2 idag, kolavskiljning skulle vara den största applikationen i volym för membran med en faktor 10, " säger han. "Vi skulle kunna göra ett svampliknande material som skulle suga upp CO2 och effektivt separera det så att du kan trycksätta det och lagra det under jord."

En utmaning när man använder polymermembran i gasseparationer är att polymererna vanligtvis är gjorda av kolväten. "Om du har samma typ av kolvätekomponenter i din polymer som du har i matningsflödet du försöker separera, polymeren kan svälla eller lösas upp eller förlora sin separationsförmåga, " säger Smith. "Vi funderar på att introducera icke-kolvätebaserade komponenter som fluor i polymerer så att membranet interagerar bättre med kolvätebaserade blandningar."

Smith experimenterar också med att lägga till MOF till polymerer. MOFs, som bildas genom att länka samman metalljoner eller metallkluster med en organisk länk, kan inte bara lösa kolväteproblemet, men problemet med entropisk störning också.

"MOFs låter dig bilda en, två, eller tredimensionella kristallstrukturer som är permanent porösa, " säger Smith. "En tesked MOFs har en inre yta på en fotbollsplan, så du kan tänka på att funktionalisera de inre ytorna av MOF:er för att selektivt binda till eller avvisa vissa molekyler. Du kan också definiera porformen och geometrin för att tillåta en molekyl att passera medan en annan avvisas."

Till skillnad från polymerer, MOF-strukturer kommer vanligtvis inte att ändra form, så porerna är mycket mer ihållande över tiden. Dessutom, "de bryts inte ned som vissa polymerer genom en process som kallas åldrande, ", säger Smith. "Utmaningen är hur man införlivar kristallina material i en process där man kan göra dem som tunna filmer. Ett tillvägagångssätt vi tar är att sprida MOFs i polymerer som nanopartiklar. Detta skulle låta dig utnyttja MOF:s effektivitet och produktivitet samtidigt som polymerens bearbetbarhet bibehålls."

En potentiell fördel med att introducera MOF-förstärkta polymermembran är processintensifiering:buntning av olika separations- eller katalytiska processer i ett enda steg för att uppnå större effektivitet. "Du kan tänka på att kombinera en typ av MOF-material som kan separera en gasblandning och låta blandningen genomgå en katalytisk reaktion samtidigt, " säger Smith. "Vissa MOF kan också fungera som tvärbindningsmedel. Istället för att använda polymerer direkt tvärbundna tillsammans, du kan ha länkar mellan MOF-partiklar dispergerade i en polymermatris, vilket skulle skapa mer stabilitet för separationer."

På grund av deras porösa natur, MOF kan potentiellt användas för att "fånga väte, metan, eller till och med i vissa fall CO2, " säger Smith. "Du kan få mycket hög upptag om du skapar rätt typ av svampliknande struktur. Det är en utmaning, dock, att hitta material som selektivt binder en av dessa komponenter med mycket hög kapacitet."

En liknande applikation för MOF skulle vara att lagra vätgas eller naturgas för att driva en bil. "Att använda ett poröst material i din bränsletank skulle låta dig hålla mer väte eller metan, säger Smith.

Smith varnar för att MOF-forskning kan ta årtionden innan den når frukt. Hans labbs polymerforskning, dock, är mycket längre framme, med kommersiella lösningar som förväntas under de kommande fem till 10 åren.

"Det kan vara en riktig game changer, " han säger.

Den här historien återpubliceras med tillstånd av MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), en populär webbplats som täcker nyheter om MIT-forskning, innovation och undervisning.