Исследователи из Национальной лаборатории Ок-Риджа Министерства энергетики и Университета штата Теннесси, Ноксвилл, занимаются разработкой материалов для газовых мембран, чтобы расширить практические технологические возможности для сокращения выбросов углерода в промышленности.
[penci_related_posts title=”Вам также может быть интересно” number=”4″ style=”list” align=”none” displayby=”cat” orderby=”random”]
Результаты исследования демонстрируют метод изготовления мембранных материалов, который может преодолеть существующие узкие места в селективности и проницаемости – ключевых переменных, которые определяют эффективность улавливания углерода в реальных условиях.
«Часто существует компромисс между тем, насколько избирательно или проницаемо можно сделать мембраны, которые отфильтровывают углекислый газ, не пропуская другие газы. Идеальным сценарием является создание материалов с высокой проницаемостью и селективностью», – сказал Чжэньчжэнь Ян из UT. Химический факультет
Газовые мембраны являются многообещающей, но все еще развивающейся технологией для сокращения выбросов после сжигания или дымовых газов, производимых ископаемыми отраслями промышленности.
Концепция проста: тонкая пористая мембрана действует как фильтр для смесей выхлопных газов, избирательно позволяя углекислому газу или CO 2 свободно протекать в коллектор, в котором поддерживается пониженное давление, но предотвращается кислород, азот и другие газы. от мечения.
В отличие от существующих химических методов для захвата CO 2 от промышленных процессов , мембраны просты в установке и может работать без присмотра в течение длительного времени без каких – либо дополнительных шагов или дополнительных затрат энергии. Суть в том, что новые, экономически эффективные материалы необходимы для расширения технологии для коммерческого внедрения.
«Газовые мембраны нуждаются в давлении с одной стороны и, как правило, в вакууме с другой, чтобы поддерживать среду свободного потока, поэтому селективность и проницаемость материалов так важны для разработки технологии», – сказал Илья Попов из Отдела химических наук ORNL. «Неэффективные материалы требуют больше энергии для проталкивания газов через систему, поэтому современные материалы являются ключом к снижению затрат на электроэнергию».
Никакие природные и только несколько синтетических материалов не превысили так называемый верхний предел Робсона , известную границу, которая ограничивает, насколько селективными и проницаемыми могут быть большинство материалов до того, как эти показатели начнут падать.
Материалы с достаточно высокой селективностью и проницаемостью для эффективного разделения газа редки и часто изготавливаются из дорогих исходных материалов, производство которых требует либо длительного и утомительного синтеза, либо дорогостоящих катализаторов на основе переходных металлов.
«Мы решили проверить гипотезу о том, что введение атомов фтора в мембранные материалы может улучшить характеристики улавливания и разделения углерода», – сказал Ян.
Элемент фтор, используемый для производства потребительских товаров, таких как тефлон и зубная паста, обладает свойствами двуокиси углерода, что делает его привлекательным для применения с улавливанием углерода. Он также широко доступен, что делает его относительно доступным вариантом для недорогих методов изготовления. Исследования по фторсодержащим газовым мембранам были ограничены из-за фундаментальных проблем включения фтора в материалы для реализации его углеродной функциональности.
«Нашим первым шагом было создание уникального полимера на основе фтора с использованием простых химических методов и коммерчески доступных исходных материалов», – сказал Ян.
Затем исследователи преобразовали или карбонизировали материал, используя тепло, чтобы придать ему пористую структуру и функциональность, необходимые для улавливания CO 2 . Двухэтапный процесс позволил сохранить фторированные группы и повысить селективность по отношению к CO 2 в конечном материале, преодолев фундаментальное препятствие, встречающееся в других синтетических методах.
«Такой подход позволил получить материал с диоксидом углерода с высокой площадью поверхности и ультрамикропорами, который стабилен в условиях высоких температур», – сказал Ян. «Все эти факторы делают его перспективным кандидатом для мембран для улавливания и отделения углерода».
Новый дизайн материала способствует его исключительной производительности, наблюдаемой при высоких показателях селективности и проницаемости, которые превышают верхний предел Робсона, чего достигли лишь несколько материалов.
«Наш успех был материальным достижением, которое демонстрирует возможные пути использования фтора в будущих мембранных материалах. Более того, мы достигли этой цели, используя коммерчески доступные, недорогие исходные материалы», – сказал Поповс.
Основное открытие расширяет ограниченную библиотеку практических вариантов мембран для улавливания углерода и открывает новые направления для разработки фторированных мембран с другими функциональными возможностями, специфичными для конкретных задач.
Исследователи стремятся в дальнейшем исследовать механизм, с помощью которого фторсодержащие мембраны поглощают и транспортируют СО 2 , что является фундаментальным шагом, который будет способствовать разработке более совершенных систем улавливания углерода с материалами, специально предназначенными для улавливания выбросов СО 2 .
Источник: Национальная лаборатория Ок-Риджа
Автор: Эшли С. Хафф
Фото: Национальная лаборатория Ок-Риджа