Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Forskare har utvecklat en ny membranteknologi som möjliggör effektivare avlägsnande av koldioxid (CO2 ) från blandade gaser, såsom utsläpp från kraftverk.
"För att demonstrera kapaciteten hos våra nya membran tittade vi på blandningar av CO2 och kväve, eftersom CO2 /kvävedioxidblandningar är särskilt relevanta i samband med att minska utsläppen av växthusgaser från kraftverk", säger Rich Spontak, medförfattare till en artikel om arbetet. "Och vi har visat att vi avsevärt kan förbättra selektiviteten hos membran för att ta bort CO2 samtidigt som den behåller relativt hög CO2 permeabilitet."
"Vi tittade också på blandningar av CO2 och metan, vilket är viktigt för naturgasindustrin", säger Spontak, som är en framstående professor i kemi- och biomolekylär teknik och professor i materialvetenskap och teknik vid North Carolina State University. "Dessutom har dessa CO2 -filtrerande membran kan användas i alla situationer där man behöver ta bort CO2 från blandade gaser – oavsett om det är en biomedicinsk applikation eller skrubbning av CO2 från luften i en ubåt."
Membran är en attraktiv teknik för att ta bort CO2 från blandade gaser eftersom de inte tar upp mycket fysisk plats, de kan tillverkas i en mängd olika storlekar och de kan enkelt bytas ut. Den andra tekniken som ofta används för CO2 avlägsnande är kemisk absorption, vilket innebär att blandade gaser bubblas genom en kolonn som innehåller en flytande amin – som tar bort CO2 från gasen. Absorptionstekniker har dock ett betydligt större fotavtryck, och flytande aminer tenderar att vara giftiga och frätande.
Dessa membranfilter fungerar genom att tillåta CO2 att passera genom membranet snabbare än de andra beståndsdelarna i den blandade gasen. Som ett resultat har gasen som passerar ut den andra sidan av membranet en högre andel CO2 än gasen som kommer in i membranet. Genom att fånga upp gasen som passerar ut ur membranet fångar du upp mer av CO2 än du gör av de andra ingående gaserna.
En långvarig utmaning för sådana membran har varit en avvägning mellan permeabilitet och selektivitet. Ju högre permeabilitet, desto snabbare kan du föra gas genom membranet. Men när permeabiliteten går upp minskar selektiviteten – vilket betyder att kväve eller andra beståndsdelar också passerar genom membranet snabbt – vilket minskar förhållandet mellan CO2 till andra gaser i blandningen. Med andra ord, när selektiviteten sjunker fångar du upp relativt mindre CO2 .
Forskargruppen, från USA och Norge, åtgärdade detta problem genom att odla kemiskt aktiva polymerkedjor som är både hydrofila och CO2 -filisk på ytan av befintliga membran. Detta ökar CO2 selektivitet och orsakar relativt liten minskning av permeabiliteten.
"Kort sagt, med liten förändring i permeabiliteten har vi visat att vi kan öka selektiviteten med så mycket som cirka 150 gånger", säger Marius Sandru, medförfattare till artikeln och senior forskare vid SINTEF Industry, en oberoende forskning organisation i Norge. "Så vi fångar upp mycket mer CO2 , i förhållande till de andra arterna i gasblandningar."
En annan utmaning som membranet CO2 står inför filter har kostat. Ju effektivare tidigare membranteknologier var, desto dyrare tenderade de att bli.
"Eftersom vi ville skapa en teknologi som är kommersiellt gångbar, började vår teknik med membran som redan är i utbredd användning", säger Spontak. "Vi konstruerade sedan ytan på dessa membran för att förbättra selektiviteten. Och även om detta ökar kostnaden, tror vi att de modifierade membranen fortfarande kommer att vara kostnadseffektiva."
"Våra nästa steg är att se i vilken utsträckning de tekniker som vi utvecklat här kan tillämpas på andra polymerer för att få jämförbara, eller till och med överlägsna, resultat; och att uppskala nanotillverkningsprocessen," säger Sandru. "Ärligt talat, även om resultaten här har varit inget mindre än spännande, har vi inte försökt att optimera denna modifieringsprocessen ännu. Vårt papper rapporterar proof-of-concept resultat."
Forskarna är också intresserade av att utforska andra tillämpningar, till exempel om den nya membranteknologin skulle kunna användas i biomedicinska ventilatoranordningar eller filtreringsanordningar inom vattenbrukssektorn.
Forskarna säger att de är öppna för att arbeta med industripartners för att utforska någon av dessa frågor eller möjligheter för att hjälpa till att mildra globala klimatförändringar och förbättra enhetens funktion.
Uppsatsen är publicerad i tidskriften Science . + Utforska vidare
