Ett nytt system utvecklat av kemiingenjörer vid MIT kan ge ett sätt att kontinuerligt ta bort koldioxid från en ström av avfallsgaser, eller till och med från luften. Nyckelkomponenten är ett elektrokemiskt assisterat membran vars permeabilitet för gas kan slås på och av efter behag, använder inga rörliga delar och relativt lite energi.

Själva membranen, gjord av anodiserad aluminiumoxid, har en bikakeliknande struktur som består av hexagonala öppningar som tillåter gasmolekyler att flöda in och ut när de är i öppet tillstånd. Dock, gaspassage kan blockeras när ett tunt lager av metall avsätts elektriskt för att täcka membranets porer. Arbetet beskrivs i journalen Vetenskapens framsteg , i en artikel av professor T. Alan Hatton, postdoc Yayuan Liu, och fyra andra.

Denna nya mekanism för "gasport" kan användas för att kontinuerligt avlägsna koldioxid från en rad industriella avgasströmmar och från omgivande luft, säger laget. De har byggt en proof-of-concept-enhet för att visa denna process i praktiken.

Enheten använder ett redoxaktivt kolabsorberande material, inklämd mellan två omkopplingsbara gasportmembran. Absorbenten och öppningsmembranen är i nära kontakt med varandra och är nedsänkta i en organisk elektrolyt för att tillhandahålla ett medium för zinkjoner att skjuta fram och tillbaka. Dessa två grindmembran kan öppnas eller stängas elektriskt genom att växla polariteten för en spänning mellan dem, orsakar zinkjoner att flytta från ena sidan till den andra. Jonerna blockerar samtidigt ena sidan, genom att bilda en metallfilm över den, medan du öppnar den andra, genom att lösa bort sin film.

När det absorberande skiktet är öppet till den sida där avgaserna strömmar förbi, materialet suger lätt upp koldioxid tills det når sin kapacitet. Spänningen kan sedan kopplas om för att blockera matningssidan och öppna upp den andra sidan, där en koncentrerad ström av nästan ren koldioxid frigörs.

Genom att bygga ett system med alternerande sektioner av membran som fungerar i motsatta faser, systemet skulle möjliggöra kontinuerlig drift i en miljö som en industriell skrubber. När som helst, hälften av sektionerna skulle absorbera gasen medan den andra hälften skulle släppa ut den.

"Det betyder att du har en matningsström som kommer in i systemet i ena änden och produktströmmen som går från den andra i en till synes kontinuerlig drift, Hatton säger. "Detta tillvägagångssätt undviker många processproblem" som skulle vara involverade i ett traditionellt flerkolumnsystem, där adsorptionsbäddar växelvis måste stängas av, rensat, och sedan regenereras, innan de exponeras igen för matargasen för att påbörja nästa adsorptionscykel. I det nya systemet, rensningsstegen krävs inte, och stegen sker alla rent i själva enheten.

Forskarnas viktigaste innovation var att använda elektroplätering som ett sätt att öppna och stänga porerna i ett material. Längs vägen hade teamet provat en mängd andra metoder för att reversibelt stänga porer i ett membranmaterial, som att använda små magnetiska sfärer som kan placeras för att blockera trattformade öppningar, men dessa andra metoder visade sig inte vara tillräckligt effektiva. Tunna metallfilmer kan vara särskilt effektiva som gasbarriärer, och det ultratunna skiktet som används i det nya systemet kräver en minimal mängd av zinkmaterialet, vilket är rikligt och billigt.

"Det ger ett mycket enhetligt beläggningsskikt med en minimal mängd material, " säger Liu. En betydande fördel med galvaniseringsmetoden är att när tillståndet ändras, i öppet eller stängt läge, det kräver ingen energiinsats för att bibehålla det tillståndet. Energi krävs bara för att växla tillbaka igen.

Potentiellt, ett sådant system skulle kunna ge ett viktigt bidrag till att begränsa utsläppen av växthusgaser till atmosfären, och till och med direkt luftavskiljning av koldioxid som redan har släppts ut.

Medan lagets initiala fokus låg på utmaningen att separera koldioxid från en ström av gaser, systemet skulle faktiskt kunna anpassas till en mängd olika kemiska separations- och reningsprocesser, säger Hatton.

"Vi är ganska glada över grindmekanismen. Jag tror att vi kan använda den i en mängd olika applikationer, i olika konfigurationer, " säger han. "Kanske i mikrofluidiska enheter, eller så kanske vi kan använda det för att kontrollera gassammansättningen för en kemisk reaktion. Det finns många olika möjligheter."

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.