Aardgasproducenten willen zoveel mogelijk methaan uit een bron halen en zoveel mogelijk koolstofdioxide vasthouden, en zou filters kunnen gebruiken die ofwel de koolstofafvang ofwel de methaanstroom optimaliseren. Geen enkel filter zal beide doen, maar dankzij wetenschappers van Rice University, ze weten nu hoe ze sorptiemiddelen moeten afstemmen op hun behoeften.

Subtiele aanpassingen bij de vervaardiging van een op polymeer gebaseerd koolstofsorptiemiddel maken het tot het bekendste materiaal voor het opvangen van broeikasgassen of het balanceren van koolstofafvang met methaanselectiviteit, volgens rijstchemicus Andrew Barron.

De details staan ​​deze maand in een paper van Barron en Rice-onderzoeker Saunab Ghosh in het tijdschrift Royal Society of Chemistry Duurzame energie en brandstoffen .

"De uitdaging is om zoveel mogelijk koolstof op te vangen en tegelijkertijd methaan door te laten stromen bij typische brondruk, "Zei Barron. "We hebben de parameters gedefinieerd in een kaart die de industrie tot nu toe de beste reeks opties biedt."

Uit eerder werk van het laboratorium bleek dat koolstoffilters hun vangvermogen maximaal benutten met een oppervlakte van 2, 800 vierkante meter per gram en een poriënvolume van 1,35 kubieke centimeter per gram. Ze ontdekten ook dat het beste koolstofafvangmateriaal niet de beste afweging tussen koolstof- en methaanselectiviteit bereikte. Met het nieuwe werk ze weten hoe ze het materiaal op het een of het ander moeten afstemmen, zei Barron.

"De traditionele benadering was om materialen te maken met een steeds groter porievolume en dit te relateren aan een beter adsorbens; het lijkt wat subtieler, " hij zei.

Het lab maakte zijn nieuwste filters door een polymeerprecursor te verwarmen en deze vervolgens te behandelen met een chemisch activeringsreagens van kalium, zuurstof en waterstof, oftewel KOH. Wanneer het polymeer wordt gebakken met KOH bij temperaturen boven 500 graden Celsius (932 graden Fahrenheit), het wordt een zeer poreus filter, vol met kanalen op nanoschaal die koolstof kunnen vasthouden.

De verhouding van KOH tot polymeer tijdens de verwerking bleek de kritische factor te zijn bij het bepalen van de eigenschappen van het uiteindelijke filter. Door filters te maken met een 3-op-1 verhouding van KOH tot polymeer kreeg het een oppervlakte van 2, 700 vierkante meter per gram en maximale kooldioxide-opname onder een druk van 5 tot 30 bar. (Eén bar is iets minder dan de gemiddelde atmosferische druk op zeeniveau.)

Filters gemaakt met een 2-op-1 verhouding van KOH tot polymeer hadden minder oppervlakte-2, 200 vierkante meter per gram - en een lager poriënvolume. Dat resulteerde in de optimale combinatie van kooldioxide-opname en methaanselectiviteit.

De grootte van de poriën was ook kritisch. Filters met maximale koolstofopname hadden de grootste fractie poriën kleiner dan 2 nanometer. Grotere poriën waren beter voor methaanselectiviteit.

"Het lijkt erop dat het totale poriënvolume minder belangrijk is dan de relatieve hoeveelheid poriën bij specifieke maten, Barron zei. „Ons doel was om een ​​gids voor onderzoekers en de industrie tot stand te brengen om betere materialen te ontwerpen.

"Deze materialen kunnen niet alleen worden gebruikt voor de scheiding van kooldioxide uit aardgas, maar het zijn ook modellen voor de opslag van kooldioxide in een natuurlijke hulpbron. Dit is de toekomstige richting van ons onderzoek."