Naturgas och biogas har blivit allt populärare energikällor över hela världen de senaste åren, tack vare deras renare och effektivare förbränningsprocess jämfört med kol och olja.

Dock, förekomsten av föroreningar som koldioxid i gasen innebär att den först måste renas innan den kan brännas som bränsle.

Traditionella processer för att rena naturgas involverar vanligtvis användning av giftiga lösningsmedel och är extremt energikrävande.

Som ett resultat, Forskare har undersökt användningen av membran som ett sätt att avlägsna föroreningar från naturgas på ett mer kostnadseffektivt och miljövänligt sätt, men att hitta ett polymermaterial som kan separera gaser snabbt och effektivt har hittills visat sig vara en utmaning.

Nu, i en tidning som publicerades i dag i tidskriften Avancerade material , forskare vid MIT beskriver en ny typ av polymermembran som dramatiskt kan förbättra effektiviteten av naturgasrening samtidigt som den minskar dess miljöpåverkan.

Membranet, som har designats av ett tvärvetenskapligt forskarteam vid MIT, kan behandla naturgas mycket snabbare än konventionella material, enligt huvudförfattaren Yuan He, en doktorand vid Institutionen för kemi vid MIT.

"Vår design kan bearbeta mycket mer naturgas - ta bort mycket mer koldioxid - på kortare tid, " Han säger.

Befintliga membran tillverkas vanligtvis med linjära strängar av polymer, säger Zachary Smith, Joseph R. Mares karriärutvecklingsprofessor i kemiteknik vid MIT, som ledde denna forskningssatsning.

"Detta är långkedjiga polymerer, som ser ut som kokta spaghetti-nudlar på molekylär nivå, " säger han. "Du kan göra dessa kokta spaghetti nudlar mer stela, och på så sätt skapar du utrymmen mellan nudlarna som ändrar packningsstrukturen och avståndet genom vilket molekyler kan tränga igenom."

Dock, sådana material är inte tillräckligt porösa för att tillåta koldioxidmolekyler att tränga igenom dem i en tillräckligt snabb hastighet för att konkurrera med befintliga reningsprocesser.

Istället för att använda långa kedjor av polymerer, forskarna har designat membran där strängarna ser ut som hårborstar, med små borst på varje sträng. Dessa borst gör att polymererna kan separera gaser mycket mer effektivt.

"Vi har en ny designstrategi, där vi kan ställa in borsten på hårborsten, som tillåter oss att exakt och systematiskt ställa in materialet, " säger Smith. "Genom att göra det, vi kan skapa exakta subnanometeravstånd, och möjliggöra de typer av interaktioner som vi behöver, att skapa selektiva och mycket genomsläppliga membran."

I experiment, membranet kunde motstå oöverträffade koldioxidmatningstryck på upp till 51 bar utan att drabbas av mjukning, forskarna rapporterar. Detta kan jämföras med cirka 34 bar för de bästa materialen. Membranet är också 2, 000 -7, 000 gånger mer permeabel än traditionella membran, enligt teamet.

Sedan sidokedjorna, eller "borst, "kan fördesignas innan den polymeriseras, det är mycket lättare att införliva en rad funktioner i polymeren, enligt Francesco Benedetti, en gästande doktorand inom Smiths forskningslabb vid Institutionen för kemiteknik vid MIT.

I forskningen ingick även Timothy Swager, John D. MacArthur professor i kemi, och Troy Van Voorhis, Haslam och Dewey professorn i kemi, MIT doktorander Hong-Zhou Ye och Sharon Lin, M. Grazia DeAngelis vid universitetet i Bologna, och Chao Liu och Yanchuan Zhao vid den kinesiska vetenskapsakademin.

"Materialets prestanda kan justeras genom att göra mycket subtila förändringar i sidokedjorna, eller borstar, att vi fördesignar, " säger Benedetti. "Det är väldigt viktigt, eftersom det betyder att vi kan rikta in oss på väldigt olika applikationer, bara genom att göra mycket subtila förändringar."

Vad mer, forskarna har upptäckt att deras hårborstpolymerer bättre tål förhållanden som skulle få andra membran att misslyckas.

I befintliga membran, de långkedjiga polymersträngarna överlappar varandra, klibbar ihop för att bilda solid state-filmer. Men med tiden glider polymersträngarna över varandra, skapa en fysisk och kemisk instabilitet.

I den nya membrandesignen, i kontrast, polymerborsten är alla förbundna med en långkedjig tråd, som fungerar som en ryggrad. Som ett resultat, de enskilda borsten kan inte röra sig, skapa ett mer stabilt membranmaterial.

Denna stabilitet ger materialet oöverträffad motståndskraft mot en process som kallas mjukgöring, där polymerer sväller i närvaro av aggressiva råvaror som koldioxid, säger Smith.

"Vi har sett stabilitet som vi aldrig sett tidigare i traditionella polymerer, " han säger.

Att använda polymermembran för gasseparation ger hög energieffektivitet, minimal miljöpåverkan, och enkel och kontinuerlig drift, men befintliga kommersiella material har låg permeans och måttlig selektivitet, gör dem mindre konkurrenskraftiga än andra mer energikrävande processer, säger Yan Xia, en biträdande professor i kemi vid Stanford University, som inte var involverad i forskningen.

"Membranen från dessa polymerer uppvisar mycket hög permeans för flera industriellt viktiga gaser, " säger Xia. "Vidare, dessa polymerer uppvisar liten oönskad plasticering när gastrycket ökar, trots deras relativt flexibla ryggrad, gör dem till önskade material för koldioxidrelaterade separationer."

Forskarna planerar nu att genomföra en systematisk studie av borstarnas kemi och struktur, för att undersöka hur detta påverkar deras prestation, Han säger.

"Vi letar efter den mest effektiva kemin och strukturen för att hjälpa separationsprocessen."

Teamet hoppas också kunna undersöka användningen av deras membrandesigner i andra applikationer, inklusive avskiljning och lagring av koldioxid, och även vid separering av vätskor.