Naukowcy opracowali nową technologię membranową, która umożliwia wydajniejsze usuwanie dwutlenku węgla (CO2) z gazów mieszanych, takich jak emisje z elektrowni.
„Aby zademonstrować możliwości naszych nowych membran, przyjrzeliśmy się mieszaninom CO2 i azotu, ponieważ mieszanki CO2/dwutlenek azotu są szczególnie istotne w kontekście ograniczania emisji gazów cieplarnianych z elektrowni” – mówi Rich Spontak, współautor korespondent artykuł o pracy. „Wykazaliśmy, że możemy znacznie poprawić selektywność membran w usuwaniu CO2 przy zachowaniu stosunkowo wysokiej przepuszczalności CO2”.
„Przyjrzeliśmy się również mieszaninom CO2 i metanu, które są ważne dla przemysłu gazu ziemnego” – mówi Spontak, wybitny profesor inżynierii chemicznej i biomolekularnej oraz profesor inżynierii materiałowej na Uniwersytecie Stanowym Karoliny Północnej. „Ponadto te membrany filtrujące CO2 mogą być używane w każdej sytuacji, w której trzeba usunąć CO2 z mieszanych gazów – niezależnie od tego, czy jest to zastosowanie biomedyczne, czy wypłukiwanie CO2 z powietrza w łodzi podwodnej”.
Membrany są atrakcyjną technologią usuwania CO2 z gazów mieszanych, ponieważ nie zajmują dużo miejsca, mogą być wykonane w różnych rozmiarach i można je łatwo wymienić. Inną technologią często używaną do usuwania CO2 jest absorpcja chemiczna, która polega na przepuszczaniu zmieszanych gazów przez kolumnę zawierającą ciekłą aminę, która usuwa CO2 z gazu. Jednak technologie absorpcyjne mają znacznie większy ślad, a ciekłe aminy są zwykle toksyczne i żrące.
Te filtry membranowe działają poprzez umożliwienie CO2 przechodzenia przez membranę szybciej niż inne składniki w mieszanym gazie. W rezultacie gaz wychodzący z drugiej strony membrany ma wyższy udział CO2 niż gaz wchodzący na membranę. Wychwytując gaz wychodzący z membrany, wychwytujesz więcej CO2 niż innych gazów składowych.
Od dawna wyzwaniem dla takich membran był kompromis między przepuszczalnością a selektywnością. Im wyższa przepuszczalność, tym szybciej można przepuścić gaz przez membranę. Ale kiedy przepuszczalność wzrasta, selektywność spada – co oznacza, że azot lub inne składniki również szybko przechodzą przez membranę – zmniejszając stosunek CO2 do innych gazów w mieszaninie. Innymi słowy, gdy selektywność spada, wychwytujesz stosunkowo mniej CO2.
Zespół badawczy z USA i Norwegii zajął się tym problemem poprzez hodowanie aktywnych chemicznie łańcuchów polimerowych, które są zarówno hydrofilowe, jak i CO2-filowe na powierzchni istniejących membran. Zwiększa to selektywność CO2 i powoduje stosunkowo niewielkie zmniejszenie przepuszczalności.
„W skrócie, przy niewielkich zmianach w przepuszczalności wykazaliśmy, że możemy zwiększyć selektywność nawet około 150 razy” – mówi Marius Sandru, współautor artykułu i starszy naukowiec w SINTEF Industry, niezależnym badaniu. organizacja w Norwegii. „Więc wychwytujemy znacznie więcej CO2 w porównaniu z innymi gatunkami w mieszankach gazowych”.
Kolejnym wyzwaniem stojącym przed membranowymi filtrami CO2 były koszty. Im bardziej efektywne były poprzednie technologie membranowe, tym droższe były.
„Ponieważ chcieliśmy stworzyć technologię opłacalną komercyjnie, nasza technologia zaczęła się od membran, które są już w powszechnym użyciu” – mówi Spontak. „Następnie zaprojektowaliśmy powierzchnię tych membran, aby poprawić selektywność. I chociaż zwiększa to koszty, uważamy, że zmodyfikowane membrany będą nadal opłacalne”.
„Nasze kolejne kroki to sprawdzenie, w jakim stopniu opracowane przez nas techniki można zastosować do innych polimerów w celu uzyskania porównywalnych, a nawet lepszych wyników; oraz w celu zwiększenia skali procesu nanofabrykacji” – mówi Sandru. „Szczerze, mimo że wyniki tutaj były ekscytujące, nie próbowaliśmy jeszcze zoptymalizować tego procesu modyfikacji. Nasz artykuł przedstawia wyniki weryfikacji koncepcji”.
Naukowcy są również zainteresowani zbadaniem innych zastosowań, na przykład możliwości wykorzystania nowej technologii membranowej w biomedycznych urządzeniach wentylacyjnych lub urządzeniach filtrujących w sektorze akwakultury.
Naukowcy twierdzą, że są otwarci na współpracę z partnerami przemysłowymi w celu zbadania któregokolwiek z tych pytań lub możliwości, aby pomóc złagodzić globalną zmianę klimatu i poprawić działanie urządzeń.
Artykuł został opublikowany w czasopiśmie Science. Artykuł był współautorem Wade Ingram, byłego doktora. student w NC State; Eugenia Sandru i Per Stenstad z SINTEF Industry; oraz Jing Deng i Liyuan Deng z Norweskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii.
Prace wykonano przy wsparciu Rady ds. Badań Naukowych Norwegii; UEFSCDI Rumunia; National Science Foundation, grant nr ECCS-2025064; i Kraton Corporation.