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PET保护膜系列

【科研进展】一种聚合物薄膜可以在提高气体净化效率的同时降低9

时间:2022-06-10 05:18:55 | 作者:爱游戏手机版下载 | 来源:ayx爱游戏体育

  化学分离的工业过程,包括天然气净化以及医用或工业用氧气和氮气的生产,总共占世界能源使用量的15%,但是它们也为世界温室气体排放量做出了相应的“贡献”。现在,麻省理工学院(MIT)和斯坦福大学(Stanford University)的研究人员已经开发出一种新型膜,用于执行这些分离过程,其能耗和排放量约为1/10。

  众所周知,使用膜分离化学物质比蒸馏或吸收等过程效率更高,但在气体穿透材料的速度和选择性之间,始终存在着一种折衷,即气体穿透材料的速度,以及在阻止所有其他分子的同时让所需分子通过的能力。研究人员说,基于“碳氢化合物阶梯”聚合物的新型膜材料家族克服了这种折衷,既提供了高渗透性,又提供了极好的选择性。

  气体分离是一种重要而广泛的工业过程,其用途包括从天然气或沼气中去除杂质和不需要的化合物,从空气中分离氧气和氮气用于医疗和工业用途,从其他气体中分离二氧化碳用于碳捕集,以及生产氢气用作无碳运输燃料。新型梯形聚合物膜有望显著改善此类分离过程的性能。例如,在从甲烷中分离二氧化碳时,这些新膜的选择性是现有纤维素膜的五倍,渗透性是现有纤维素膜的100倍。同样,它们的渗透性是甲烷和氢气分离的100倍,选择性是前者的3倍。

  实验室在过去几年中开发的新型聚合物被称为梯形聚合物,因为它们是由双链通过梯级状键连接而成,这些键为聚合物材料提供了高度的刚性和稳定性。这些梯形聚合物是通过实验室开发的一种高效、选择性的化学反应合成的,这种化学反应称为CANAL,是催化芳烃降冰片烯环化反应的缩写,它将现成的化学物质缝合成具有数百甚至数千级的梯形结构。

  聚合物是在溶液中合成的,在溶液中它们形成刚性的、扭结的带状线,通过使用工业上可用的聚合物浇铸工艺,可以很容易地制成具有亚纳米级孔隙的薄片。通过选择特定的碳氢化合物起始化合物,可以调整生成孔隙的大小。夏说这种化学反应和化学积木的选择使我们能够制造具有不同结构的非常坚硬的梯形聚合物。

  为了将CANAL聚合物用作选择性膜,该合作利用了夏在聚合物方面的专业知识和史密斯在膜研究方面的专长。研究人员对其结构如何影响气体渗透性能进行了大量开发和探索。他说:“我们花了八年时间,从开发新的化学物质,到找到合适的聚合物结构,赋予高分离性能。”

  实验室在过去几年中对CANAL聚合物的结构进行了改变,以了解其结构如何影响其分离性能。令人惊讶的是,他们发现,在原有的管状聚合物中添加额外的扭结,可以显著提高膜的机械稳定性,并提高膜对类似大小的分子(如氧气和氮气)的选择性,而不会失去更具渗透性的气体的渗透性。随着材料老化,选择性实际上会提高。研究人员说,高选择性和高渗透性的结合使这些材料在许多气体分离方面优于所有其他聚合物材料。

  如今,全球15%的能源消耗用于化学分离,这些分离过程通常基于百年前的技术,它们工作得很好,但它们有巨大的碳足迹,消耗大量能源。今天的关键挑战是试图取代这些不可持续的过程。这些过程中的大多数都需要高温来煮沸和重新煮沸溶液,而这些过程往往是最难通电的过程。对于从空气中分离氧和氮来说,这两个分子的大小仅相差约0.18埃(100亿分之一米)。要制造一个能够有效分离它们的过滤器而不降低吞吐量是非常困难的。当制造成膜时,新的梯形聚合物会产生微孔,实现高选择性。在某些情况下,每一个氮都会渗透10个氧分子,尽管需要极细的筛子才能达到这种尺寸选择性。史密斯说这些新型膜材料在许多应用中具有所有已知聚合物材料中渗透性和选择性的最高组合。

  他补充说:“由于CANAL聚合物具有很强的韧性,并且可溶于某些溶剂,因此可以在几年内扩大规模用于工业部署。”。由这项研究的作者领导的麻省理工学院衍生公司Osmoses最近赢得了麻省理工学院10万美元的创业竞赛,并得到了该引擎的部分资助,以将该技术商业化。

  这些材料在化学加工行业有多种潜在的应用,包括将二氧化碳从其他气体混合物中分离出来,作为一种减排形式。另一种可能性是净化由农业废弃物制成的沼气燃料,以提供无碳运输燃料。用于生产燃料或化工原料的氢分离也可以有效地进行,有助于向氢经济转型。

  紧密团结的研究团队正在继续完善该工艺,以促进从实验室到工业规模的发展,并更好地了解大分子结构和填料如何导致超高选择性的细节。史密斯预计该平台技术将在多个脱碳途径中发挥作用,从氢分离和碳捕获开始,因为向无碳经济转型迫切需要这些技术。

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  原标题:《【科研进展】一种聚合物薄膜可以在提高气体净化效率的同时降低90%的碳排放》