Industriële processen voor chemische scheidingen, waaronder aardgaszuivering en de productie van zuurstof en stikstof voor medisch of industrieel gebruik, zijn samen verantwoordelijk voor ongeveer 15 procent van het wereldwijde energieverbruik. Ze dragen ook een overeenkomstige hoeveelheid bij aan de uitstoot van broeikasgassen in de wereld. Nu hebben onderzoekers van MIT en Stanford University een nieuw soort membraan ontwikkeld om deze scheidingsprocessen uit te voeren met ongeveer 1/10 van het energieverbruik en de emissies.

Het is bekend dat het gebruik van membranen voor het scheiden van chemicaliën veel efficiënter is dan processen zoals destillatie of absorptie, maar er is altijd een afweging geweest tussen permeabiliteit - hoe snel gassen door het materiaal kunnen dringen - en selectiviteit - het vermogen om de gewenste moleculen door te laten. passeren terwijl u alle anderen blokkeert. De nieuwe familie van membraanmaterialen, gebaseerd op "koolwaterstofladder"-polymeren, overwint die afweging en biedt zowel een hoge permeabiliteit als een extreem goede selectiviteit, zeggen de onderzoekers.

De bevindingen worden gerapporteerd in het tijdschrift Science , in een paper van Yan Xia, universitair hoofddocent scheikunde aan Stanford; Zachary Smith, een assistent-professor chemische technologie aan het MIT; Ingo Pinnau, een professor aan de King Abdullah University of Science and Technology, en vijf anderen.

Gasscheiding is een belangrijk en wijdverbreid industrieel proces waarvan het gebruik het verwijderen van onzuiverheden en ongewenste verbindingen uit aardgas of biogas omvat, het scheiden van zuurstof en stikstof uit de lucht voor medische en industriële doeleinden, het scheiden van kooldioxide van andere gassen voor het afvangen van koolstof, en het produceren van waterstof voor gebruik als koolstofvrije transportbrandstof. De nieuwe ladderpolymeermembranen zijn veelbelovend voor het drastisch verbeteren van de prestaties van dergelijke scheidingsprocessen. Door bijvoorbeeld koolstofdioxide te scheiden van methaan, hebben deze nieuwe membranen vijf keer de selectiviteit en 100 keer de permeabiliteit van bestaande cellulosemembranen voor dat doel. Evenzo zijn ze 100 keer beter doorlaatbaar en drie keer zo selectief voor het scheiden van waterstofgas van methaan.

Het nieuwe type polymeren, dat de afgelopen jaren door het Xia-lab is ontwikkeld, wordt ladderpolymeren genoemd omdat ze zijn gevormd uit dubbele strengen die zijn verbonden door sportachtige bindingen, en deze verbindingen zorgen voor een hoge mate van stijfheid en stabiliteit aan de polymeer materiaal. Deze ladderpolymeren worden gesynthetiseerd via een efficiënte en selectieve chemie die het Xia-lab heeft ontwikkeld, genaamd CANAL, een acroniem voor katalytische areen-norborneenanulatie, die gemakkelijk beschikbare chemicaliën in ladderstructuren hecht met honderden of zelfs duizenden sporten. De polymeren worden gesynthetiseerd in een oplossing, waar ze stijve en geknikte lintachtige strengen vormen die gemakkelijk kunnen worden gemaakt tot een dunne plaat met poriën op sub-nanometerschaal met behulp van industrieel beschikbare polymeergietprocessen. De grootte van de resulterende poriën kan worden afgestemd door de keuze van de specifieke koolwaterstof uitgangsverbindingen. "Door deze chemie en keuze van chemische bouwstenen konden we zeer stijve ladderpolymeren maken met verschillende configuraties", zegt Xia.

Om de CANAL-polymeren als selectieve membranen toe te passen, maakte de samenwerking gebruik van Xia's expertise in polymeren en Smith's specialisatie in membraanonderzoek. Holden Lai, een voormalige doctoraatsstudent aan Stanford, voerde een groot deel van de ontwikkeling en verkenning uit van hoe hun structuren de gaspermeatie-eigenschappen beïnvloeden. "Het kostte ons acht jaar van de ontwikkeling van de nieuwe chemie tot het vinden van de juiste polymeerstructuren die de hoge scheidingsprestaties mogelijk maken", zegt Xia.

Het Xia-lab heeft de afgelopen jaren de structuren van CANAL-polymeren gevarieerd om te begrijpen hoe hun structuren hun scheidingsprestaties beïnvloeden. Verrassend genoeg ontdekten ze dat het toevoegen van extra knikken aan hun oorspronkelijke CANAL-polymeren de mechanische robuustheid van hun membranen aanzienlijk verbeterde en hun selectiviteit voor moleculen van vergelijkbare grootte, zoals zuurstof- en stikstofgassen, verhoogde zonder de permeabiliteit van het meer permeabele gas te verliezen. De selectiviteit verbetert zelfs naarmate het materiaal ouder wordt. De combinatie van hoge selectiviteit en hoge permeabiliteit zorgt ervoor dat deze materialen beter presteren dan alle andere polymeermaterialen in veel gasscheidingen, zeggen de onderzoekers.

Tegenwoordig gaat 15 procent van het wereldwijde energieverbruik naar chemische scheidingen, en deze scheidingsprocessen zijn "vaak gebaseerd op eeuwenoude technologieën", zegt Smith. "Ze werken goed, maar ze hebben een enorme ecologische voetafdruk en verbruiken enorme hoeveelheden energie. De belangrijkste uitdaging van vandaag is om deze niet-duurzame processen te vervangen." De meeste van deze processen vereisen hoge temperaturen voor het koken en opnieuw koken van oplossingen, en dit zijn vaak de moeilijkste processen om te elektrificeren, voegt hij eraan toe.

Voor de scheiding van zuurstof en stikstof uit lucht verschillen de twee moleculen slechts ongeveer 0,18 angstrom (tien miljardste van een meter) in grootte, zegt hij. Een filter maken dat ze efficiënt kan scheiden "is ongelooflijk moeilijk om te doen zonder de doorvoer te verminderen." Maar de nieuwe ladderpolymeren produceren, wanneer ze tot membranen worden verwerkt, kleine poriën die een hoge selectiviteit bereiken, zegt hij. In sommige gevallen dringen 10 zuurstofmoleculen per stikstof door, ondanks de flinterdunne zeef die nodig is om toegang te krijgen tot dit soort grootteselectiviteit. Deze nieuwe membraanmaterialen hebben "de hoogste combinatie van permeabiliteit en selectiviteit van alle bekende polymere materialen voor veel toepassingen", zegt Smith.

"Omdat CANAL-polymeren sterk en ductiel zijn en omdat ze oplosbaar zijn in bepaalde oplosmiddelen, kunnen ze binnen een paar jaar worden opgeschaald voor industriële toepassing", voegt hij eraan toe. Een MIT-spin-offbedrijf genaamd Osmoses, geleid door auteurs van deze studie, won onlangs de MIT $ 100K-ondernemerschapswedstrijd en werd gedeeltelijk gefinancierd door The Engine om de technologie te commercialiseren.

Er zijn verschillende mogelijke toepassingen voor deze materialen in de chemische verwerkende industrie, zegt Smith, waaronder de scheiding van kooldioxide uit andere gasmengsels als een vorm van emissiereductie. Een andere mogelijkheid is de zuivering van biogasbrandstof gemaakt van landbouwafvalproducten om koolstofvrije transportbrandstof te leveren. 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. + Verder verkennen

Precision sieving of gases through atomic pores in graphene