Kredit:Unsplash/CC0 Public Domain
Industriella processer för kemisk separation, inklusive naturgasrening och produktion av syre och kväve för medicinsk eller industriell användning, står tillsammans för cirka 15 procent av världens energianvändning. De bidrar också med motsvarande mängd till världens utsläpp av växthusgaser. Nu har forskare vid MIT och Stanford University utvecklat en ny typ av membran för att utföra dessa separationsprocesser med ungefär 1/10 av energianvändningen och utsläppen.
Att använda membran för separation av kemikalier är känt för att vara mycket effektivare än processer som destillation eller absorption, men det har alltid funnits en avvägning mellan permeabilitet – hur snabbt gaser kan penetrera genom materialet – och selektivitet – förmågan att släppa in de önskade molekylerna passera samtidigt som alla andra blockeras. Den nya familjen av membranmaterial, baserade på "kolvätestege"-polymerer, övervinner den kompromissen och ger både hög permeabilitet och extremt god selektivitet, säger forskarna.
Fynden rapporteras i tidskriften Science , i en artikel av Yan Xia, en docent i kemi vid Stanford; Zachary Smith, biträdande professor i kemiteknik vid MIT; Ingo Pinnau, professor vid King Abdullah University of Science and Technology, och fem andra.
Gasseparering är en viktig och utbredd industriell process vars användningsområden inkluderar att ta bort föroreningar och oönskade föreningar från naturgas eller biogas, separera syre och kväve från luft för medicinska och industriella ändamål, separera koldioxid från andra gaser för kolavskiljning och framställning av väte för användning som ett kolfritt transportbränsle. De nya stegpolymermembranen visar lovande för att drastiskt förbättra prestandan för sådana separationsprocesser. Till exempel, genom att separera koldioxid från metan, har dessa nya membran fem gånger så hög selektivitet och 100 gånger permeabilitet som existerande cellulosamembran för detta ändamål. På samma sätt är de 100 gånger mer permeabla och tre gånger så selektiva för att separera vätgas från metan.
Den nya typen av polymerer, som utvecklats under de senaste åren av Xia-laboratoriet, kallas stegpolymerer eftersom de bildas av dubbla strängar förbundna med steg-liknande bindningar, och dessa länkar ger en hög grad av styvhet och stabilitet till polymermaterial. Dessa stegpolymerer syntetiseras via en effektiv och selektiv kemi som Xia-labbet utvecklade, kallad CANAL, en akronym för katalytisk aren-norbornen-annulering, som syr ihop lättillgängliga kemikalier i stegstrukturer med hundratals eller till och med tusentals stegpinnar. Polymererna syntetiseras i en lösning, där de bildar stela och krökta bandliknande strängar som enkelt kan göras till ett tunt ark med subnanometerskaliga porer genom att använda industriellt tillgängliga polymergjutningsprocesser. Storleken på de resulterande porerna kan ställas in genom valet av de specifika kolväteutgångsföreningarna. "Denna kemi och valet av kemiska byggstenar gjorde det möjligt för oss att tillverka mycket styva stegpolymerer med olika konfigurationer", säger Xia.
För att tillämpa CANAL-polymererna som selektiva membran använde samarbetet sig av Xias expertis inom polymerer och Smiths specialisering inom membranforskning. Holden Lai, en före detta doktorand i Stanford, genomförde mycket av utvecklingen och utforskningen av hur deras strukturer påverkar gasgenomträngningsegenskaperna. "Det tog oss åtta år från att utveckla den nya kemin till att hitta rätt polymerstrukturer som ger den höga separationsprestandan", säger Xia.
Xia-labbet tillbringade de senaste åren med att variera strukturerna hos CANAL-polymerer för att förstå hur deras strukturer påverkar deras separationsprestanda. Överraskande fann de att tillsats av ytterligare kinks till deras ursprungliga CANAL-polymerer avsevärt förbättrade den mekaniska robustheten hos deras membran och ökade deras selektivitet för molekyler av liknande storlekar, såsom syre- och kvävgaser, utan att förlora permeabiliteten för den mer permeabla gasen. Selektiviteten förbättras faktiskt när materialet åldras. Kombinationen av hög selektivitet och hög permeabilitet gör att dessa material överträffar alla andra polymermaterial i många gasseparationer, säger forskarna.
Idag går 15 procent av den globala energianvändningen till kemisk separation, och dessa separationsprocesser är "ofta baserade på sekelgamla tekniker", säger Smith. "De fungerar bra, men de har ett enormt koldioxidavtryck och förbrukar enorma mängder energi. Den viktigaste utmaningen idag är att försöka ersätta dessa ohållbara processer." De flesta av dessa processer kräver höga temperaturer för att koka och återkoka lösningar, och dessa är ofta de svåraste processerna att elektrifiera, tillägger han.
För separering av syre och kväve från luft skiljer de två molekylerna endast i storlek med cirka 0,18 ångström (tio miljarddelar av en meter), säger han. Att göra ett filter som kan separera dem effektivt "är otroligt svårt att göra utan att minska genomströmningen." Men de nya stegpolymererna, när de tillverkas till membran, producerar små porer som uppnår hög selektivitet, säger han. I vissa fall tränger 10 syremolekyler in för varje kväve, trots den rakbladstunna sikten som behövs för att komma åt denna typ av storleksselektivitet. Dessa nya membranmaterial har "den högsta kombinationen av permeabilitet och selektivitet av alla kända polymermaterial för många applikationer", säger Smith.
"Eftersom CANAL-polymerer är starka och formbara, och eftersom de är lösliga i vissa lösningsmedel, skulle de kunna skalas för industriell användning inom några år", tillägger han. Ett spin-off-företag från MIT som heter Osmoses, ledd av författarna till denna studie, vann nyligen MIT $100 000 entreprenörskapstävlingen och har delvis finansierats av The Engine för att kommersialisera tekniken.
Det finns en mängd olika potentiella tillämpningar för dessa material i den kemiska processindustrin, säger Smith, inklusive separation av koldioxid från andra gasblandningar som en form av utsläppsminskning. En annan möjlighet är rening av biogasbränsle tillverkat av jordbruksavfall för att tillhandahålla kolfritt transportbränsle. Hydrogen separation for producing a fuel or a chemical feedstock, could also be carried out efficiently, helping with the transition to a hydrogen-based economy.
The close-knit team of researchers is continuing to refine the process to facilitate the development from laboratory to industrial scale, and to better understand the details on how the macromolecular structures and packing result in the ultrahigh selectivity. Smith says he expects this platform technology to play a role in multiple decarbonization pathways, starting with hydrogen separation and carbon capture, because there is such a pressing need for these technologies in order to transition to a carbon-free economy.
The research team also included Jun Myun Ahn and Ashley Robinson at Stanford, Francesco Benedetti at MIT, now the chief executive officer at Osmoses, and Yingge Wang at King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia. + Utforska vidare
