Fristående och mekaniskt starka nanomembran sammansatta av två polymera lager visade överlägsen koldioxidseparation från kväve. Som framgår av studien spelade ytan av kompositmembranet en avgörande roll för att uppnå CO2-selektiviteten. Gränssnittsskiktet bestående av det interpenetrerade rännskiktet (PDMS) och ultratunna selektiva skikt (Pebax-1657) polymerer kontrollerades bekvämt genom syrgasplasmabehandling av PDMS. Upptäckten ger nya insikter om materialprestanda i området för nanoskala tjocklekar. Kredit:Roman Selyanchyn, I2CNER, Kyushu universitet
Klimatnedbrytning orsakad av koldioxid (CO 2 ) utsläpp till atmosfären är ett stort existentiellt problem som mänskligheten står inför. Den mest acceptabla lösningen skulle vara fullständigt upphörande av användningen av fossila bränslen, eller åtminstone snabb minskning av deras användning av alla länder, i linje med Parisavtalet. Detta kommer att säkerställa att den planetariska uppvärmningen begränsas med 2 grader C. Utsläppsminskningarna är långsamma, dock, och de flesta länder kommer sannolikt inte att nå målen i avtalet.
Tekniska lösningar för massiv CO 2 Förebyggande av utsläpp är därför ytterst nödvändiga. Vissa tekniker för CO 2 fånga, till exempel, sorption av flytande aminkemikalier, är redan mogna nog att tillämpas i stor skala. Dock, de är dyra och kommer med en börda av giftig kemisk kassering när de förlorar sin CO 2 bindande egendom. Alternativa tekniker är därför av stor betydelse.
Separering av gaser med hjälp av membran växer fram som en nyckelteknologi för att etablera ett hållbart samhälle. Bred användning av membran kan hjälpa till att fånga upp enorma mängder koldioxid som släpps ut i industriella processer. I motsats till konventionell CO 2 fånga, gasseparering med membran lovar kostnadseffektivitet. Dock, för att uppnå ekonomisk CO 2 fånga i massskala, membranen behöver flera kritiska egenskaper:snabb CO 2 transport genom deras struktur; hög CO 2 selektivitet (dvs. vara en mindre permeabel barriär för andra gaser); mekanisk styrka och kemisk beständighet. Dessutom, membran bör vara sammansatta av material som är billiga vid massproduktion, så organiska polymerer (konventionella plaster och gummin) är mest attraktiva för industriella tillämpningar.
Tunnfilmskompositer representerar en specifik arkitektur av membran för att ge en robust struktur för industriella applikationer. Dessa membran, som innehåller flera funktionella lager (gjorda av organiska polymerer), erbjuda en bra lösning för storskalig CO 2 fånga. Dock, även benchmark organiska polymerer med bästa separationsprestanda (hög CO 2 permeabilitet och hög CO 2 /N 2 selektivitet) ännu inte uppvisar tillfredsställande separationsprestanda på grund av deras oförmåga att bilda tillräckligt tunna, defektfria och mekaniskt stabila membran.
I en ny studie, forskare rapporterar för första gången hur ytterst tunna selektiva lager med en tjocklek på flera nanometer kan användas för att uppnå önskade separationsegenskaper. De använde välkända polymerer för studien - polyeterblockamid (Pebax-1657) som selektivt skikt och polydimetylsiloxan (PDMS) som ett rännskikt. De undersökte vad som händer med gasseparationsegenskapen när tjockleken på det selektiva lagret pressades till det yttersta av flera nanometer. De rapporterar att när ett selektivt lager av separationsmembran blir mycket tunt, den kan bilda ett specifikt gränssnitt med rännskiktet i en sammansatt struktur. Detta gränssnitt i nanoskala levererade oväntat hög selektivitet mot CO 2 . Skonsam och ultrakort plasmabehandling av det hydrofoba PDMS-skiktet som behövs för att främja vidhäftning med det hydrofila selektiva skiktet visade sig som ett verktyg för att kontrollera och ställa in aktiviteten hos det molekylära gränssnittet mellan två polymerer.
De fann att detta gränssnitt hade en avgörande inverkan på CO 2 selektivitet. Tillsammans med höga permeationshastigheter som möjliggörs av låg tjocklek, membranen passar fint in i området för de separationsegenskaper som behövs för industriell CO 2 fånga (t.ex. avskiljning efter förbränning vid kraftverk med fossila bränslen). Dessa resultat öppnar ett nytt och outforskat område av gränssnittsstyrd gasseparation som kan användas av ingenjörer för att designa effektivare membran för olika användbara tillämpningar.
