Supertunna membran av kolmolekylsikt (CMS) kanske inte är bäst för att separera industriellt viktiga kemiska blandningar. Dock, Att säkerställa att CMS-filmtjockleken är helt rätt skulle kunna möjliggöra mer energieffektiv rening av kemiska produkter, KAUST-forskare har visat.

CMS-membran, som deras namn antyder, kan rena blandningar av vätskor eller gaser genom att endast tillåta vissa molekyler att passera genom deras subnanometerstora porer. För närvarande, den kemiska industrin använder huvudsakligen värmebaserade processer såsom destillation för att separera produktblandningar, men dessa processer förbrukar cirka 10 procent av den globala energiproduktionen. "Den här situationen är mycket ohållbar, " säger Wojciech Ogieglo, en forskare vid KAUST. "Vi tror att en stor del av dessa energikrävande separationer skulle kunna ersättas av mycket mer miljövänliga membranseparationer."

CMS-membran skapas genom att avsätta ett lager av kolrika polymerer på ett lämpligt underlag, applicera sedan värme för att omvandla polymeren till en mikroporös CMS-film. "CMS-material uppvisar den överlägset bästa prestandan för en mängd olika mycket energikrävande membranbaserade gasseparationsapplikationer, säger gruppledaren Ingo Pinnau.

"Dessa material är också särskilt kemiskt robusta, " konstaterar Ogieglo. "De är lovande för situationer som plastproduktion eller fångst av växthusgaser eftersom de fungerar tillförlitligt även i mycket hårda kemiska miljöer och vid höga temperaturer, " han säger.

En aspekt av CMS-membranforskning är att optimera CMS-filmtjockleken för att minimera energin som krävs för att separera en kemisk blandning. "Intuitivt, man skulle kunna tro att ju tunnare hinnan, desto bättre, ", säger Ogieglo. Ett tunnare CMS-lager skulle förväntas utgöra det minsta transportmotståndet mot molekyler som passerar genom dess porer. teamet fann att när de skapade mindre än 50 nanometer CMS-filmer, CMS-skiktet var mycket kompakt med låg mikroporositet. "Sådana extremt tunna filmer visar sig utgöra mycket mer transportmotstånd än förväntat, ", säger Ogieglo. Tjockare 300 nanometer CMS-filmer hade betydligt högre mikroporositet, laget visade.

"Vi tror att det måste finnas en sweet spot i tjockleksintervallet - inte för tunt, inte för tjock – där membranets prestanda är optimal, ", säger Ogieglo. "Vi försöker för närvarande ta reda på var denna söta punkt ligger för olika typer av membranmaterial."

"Resultaten kommer att ingå i teamets bredare ansträngningar för att skapa skalbara, industriförberedda CMS-separationsmembran, " säger Pinnau. "Vi skalar för närvarande upp produktionen av CMS-kompositmembran för att testa deras prestanda och långsiktiga stabilitet i membranmoduler, " han lägger till.