Er zijn tal van veelbelovende technologieën in ontwikkeling die het energieverbruik kunnen verminderen of koolstof kunnen vastleggen op gebieden als biotech, computertechnologie, nanotechnologie, materiaal kunde, en meer. Niet alles zal haalbaar blijken, maar met een beetje geld en zorg, velen zouden kunnen helpen bij het oplossen van de grote uitdaging van de planeet.

Een dergelijke oplossing komt voort uit nieuwe benaderingen van industriële scheidingsprocessen. Bij de afdeling Chemische Technologie van het MIT, Professor Zachary Smith werkt aan nieuwe polymere membranen die het energieverbruik bij chemische scheidingen sterk kunnen verminderen. Hij doet ook onderzoek op langere termijn naar het verbeteren van polymere membranen met metaal-organische raamwerken op nanoschaal (MOF's).

"We maken en analyseren niet alleen materialen vanuit het fundamentele principe van transport, thermodynamica en reactiviteit, maar we beginnen die kennis te gebruiken om modellen te maken en nieuwe materialen te ontwerpen met scheidingsprestaties die nog nooit eerder zijn bereikt, Smith zegt. "Het is opwindend om van de laboratoriumschaal naar het grote proces te gaan, en wat het verschil zal maken in de samenleving."

Smith overlegt vaak met branche-experts die inzichten delen over scheidingstechnologieën. Nu het klimaatakkoord van Parijs van 2015 tot nu toe bij elkaar blijft, ondanks de terugtrekking van de VS, de chemische en petrochemische industrie waar Smith zich voornamelijk mee bezighoudt, begint de druk te voelen om de uitstoot te verminderen. De industrie is ook op zoek naar kostenbesparingen. De verwarmings- en koeltorens die voor scheidingen worden gebruikt, vereisen veel energie, en zijn duur om te bouwen en te onderhouden.

Industriële processen die alleen al in de chemische en petrochemische industrie worden gebruikt, verbruiken een kwart tot een derde van de totale energie in de VS, en scheidingen zijn goed voor ongeveer de helft daarvan, zegt Smit. Ongeveer de helft van het energieverbruik van scheidingen komt van distillatie, een proces dat extreme hitte vereist, of in het geval van cryogene distillatie, nog meer energieverslindende extreme koeling.

"Het kost veel energie om mengsels te koken en opnieuw te koken, en het is nog inefficiënter omdat het faseveranderingen vereist, " zegt Smith. "Membraanscheidingstechnologie zou die faseveranderingen kunnen vermijden en veel minder energie verbruiken. Polymeren kunnen defectvrij gemaakt worden, en je kunt ze in selectieve, 100 nanometer dikke dunne films die een voetbalveld zouden kunnen bedekken."

Vele hindernissen die in de weg staan, echter. Membraanscheidingen worden slechts in een klein deel van de industriële gasscheidingsprocessen gebruikt omdat de polymere membranen "vaak inefficiënt zijn, en kan de prestaties van distillatie niet evenaren, ", zegt Smith. "De huidige membranen bieden niet genoeg doorvoer - flux genoemd - voor toepassingen met een hoog volume, en ze zijn vaak chemisch en fysiek onstabiel bij het gebruik van agressievere voedingsstromen."

Veel van deze prestatieproblemen komen voort uit het feit dat polymeren amorf zijn, of entropisch gestoord. "Polymeren zijn gemakkelijk te verwerken en te vormen tot bruikbare geometrieën, maar de afstand waar moleculen door polymere membranen kunnen bewegen verandert in de loop van de tijd, "zegt Smith. "Het is moeilijk om hun poreuze interne vrije volume te beheersen."

De meest veeleisende scheidingen vereisen selectieve grootte tussen moleculen van slechts een fractie van een angstrom. Om deze uitdaging aan te gaan, het Smith Lab probeert nanoschaalkenmerken en chemische functionaliteit aan polymeren toe te voegen om fijnkorrelige scheidingen te bereiken. De nieuwe materialen kunnen "een type molecuul opnemen en een ander afstoten, " zegt Smit.

Om polymere membranen te creëren met een hogere doorvoer en selectiviteit, Het team van Smith neemt nieuwe polymeren die in MIT-laboratoria zijn ontwikkeld en die kunnen worden gereageerd op een sjabloon-geordende structuur, om in traditionele, ongeordende, amorfe polymeren. Zoals hij uitlegt, "Vervolgens behandelen we ze op een post-synthetische manier op een manier om te sjablonen in enkele nanometer-zakken die diffusiepaden creëren."

Hoewel het Smith Lab met veel van deze technieken succes heeft geboekt, het is nog steeds een uitdaging om de flux te bereiken die nodig is voor toepassingen met een hoog volume. Het probleem wordt gecompliceerd door het feit dat er meer dan 200 verschillende soorten destillatiescheidingsprocessen zijn die worden gebruikt door de chemische en petrochemische industrie. Maar dit kan ook een voordeel zijn bij het introduceren van een nieuwe technologie:onderzoekers kunnen op zoek gaan naar een niche in plaats van te proberen de industrie van de ene op de andere dag te veranderen.

"We zijn op zoek naar doelen waar we de meeste impact zouden hebben, ", zegt Smith. "Onze membraantechnologie heeft het voordeel dat ze een veel kleinere voetafdruk biedt, zodat je ze kunt gebruiken op afgelegen locaties of op offshore-olieplatforms."

Door hun kleine formaat en gewicht, In vliegtuigen worden al membranen gebruikt om stikstof van lucht te scheiden. De stikstof wordt vervolgens gebruikt om de brandstoftank te coaten om explosies te voorkomen, zoals degene die TWA Flight 800 in 1996 naar beneden bracht. Membranen zijn ook gebruikt voor het verwijderen van kooldioxide bij afgelegen aardgasbronnen, en hebben een niche gevonden in enkele grotere petrochemische toepassingen zoals waterstofverwijdering.

Smith wil uitbreiden naar toepassingen die doorgaans gebruik maken van cryogene destillatietorens, die enorme energie vergen om extreme kou te produceren. In de petrochemische industrie, deze omvatten ethyleen-ethaan, stikstof-methaan, en luchtscheidingen. Veel plastic consumentenproducten zijn gemaakt van ethyleen, dus het verlagen van de energiekosten bij de fabricage zou enorme voordelen kunnen opleveren.

"Met cryogene distillatie, je moet niet alleen moleculen scheiden die qua grootte vergelijkbaar zijn, maar ook in thermodynamische eigenschappen, ", zegt Smith. "De destillatiekolommen kunnen 200 of 300 voet lang zijn met zeer hoge stroomsnelheden, dus de scheidingstreinen kunnen tot miljarden dollars kosten. De energie die nodig is om vacuüm te trekken en de systemen bij -120 graden Celsius te laten werken, is enorm."

Andere mogelijke toepassingen voor polymeermembranen zijn onder meer "het vinden van andere manieren om CO2 uit stikstof of methaan te verwijderen of het scheiden van verschillende soorten paraffinen of chemische grondstoffen, " zegt Smit.

Koolstofafvang en -vastlegging staat ook op de radar. "Als er vandaag een economische motor was om CO2 af te vangen, koolstofafvang zou qua volume de grootste toepassing zijn voor membranen met een factor 10, " zegt hij. "We zouden een sponsachtig materiaal kunnen maken dat CO2 opzuigt en efficiënt afscheidt, zodat je het onder druk kunt zetten en ondergronds kunt opslaan."

Een uitdaging bij het gebruik van polymere membranen in gasscheidingen is dat de polymeren typisch gemaakt zijn van koolwaterstoffen. "Als je hetzelfde type koolwaterstofcomponenten in je polymeer hebt als in de voedingsstroom die je probeert te scheiden, het polymeer kan zwellen of oplossen of zijn scheidingsvermogen verliezen, ", zegt Smith. "We willen niet-koolwaterstofgebaseerde componenten zoals fluor in polymeren introduceren, zodat het membraan beter interageert met op koolwaterstof gebaseerde mengsels."

Smith experimenteert ook met het toevoegen van MOF's aan polymeren. MOF's, die worden gevormd door metaalionen of metaalclusters aan elkaar te koppelen met een organische linker, lost niet alleen het koolwaterstofprobleem op, maar ook het probleem van de entropische stoornis.

"MOF's laten je er een vormen, twee, of driedimensionale kristalstructuren die permanent poreus zijn, "zegt Smith. "Een theelepel MOF's heeft de binnenoppervlakte van een voetbalveld, dus je kunt nadenken over het functionaliseren van de interne oppervlakken van MOF's om selectief te binden aan bepaalde moleculen of deze af te wijzen. Je kunt ook de vorm en geometrie van de poriën definiëren, zodat het ene molecuul kan passeren terwijl het andere wordt afgewezen."

In tegenstelling tot polymeren, MOF-structuren veranderen doorgaans niet van vorm, dus de poriën zijn in de loop van de tijd veel hardnekkiger. In aanvulling, "ze worden niet afgebroken zoals bepaalde polymeren door een proces dat veroudering wordt genoemd, ", zegt Smith. "De uitdaging is hoe je kristallijne materialen kunt incorporeren in een proces waarbij je ze als dunne films kunt maken. Eén benadering die we volgen, is om MOF's als nanodeeltjes in polymeren te dispergeren. Hierdoor zou je de efficiëntie en productiviteit van de MOF's kunnen benutten, terwijl de verwerkbaarheid van het polymeer behouden blijft."

Een potentieel voordeel van de introductie van MOF-versterkte polymere membranen is procesintensivering:het bundelen van verschillende scheidings- of katalytische processen in een enkele stap om een ​​grotere efficiëntie te bereiken. "Je kunt denken aan het combineren van een type MOF-materiaal dat een gasmengsel kan scheiden en tegelijkertijd een katalytische reactie kan laten ondergaan, " zegt Smith. "Sommige MOF's kunnen ook fungeren als verknopingsmiddelen. In plaats van polymeren te gebruiken die direct aan elkaar zijn verknoopt, je kunt verbindingen hebben tussen MOF-deeltjes die zijn verspreid in een polymeermatrix, wat meer stabiliteit zou creëren voor scheidingen."

Door hun poreuze karakter, MOF's kunnen mogelijk worden gebruikt voor het "afvangen van waterstof, methaan, of zelfs in sommige gevallen CO2, ", zegt Smith. "Je kunt een zeer hoge opname krijgen als je het juiste type sponsachtige structuur creëert. Het is een uitdaging, echter, om materialen te vinden die een van deze componenten selectief in zeer hoge capaciteit binden."

Een vergelijkbare toepassing voor MOF's zou de opslag van waterstof of aardgas zijn voor het tanken van een auto. "Als je een poreus materiaal in je brandstoftank gebruikt, kun je meer waterstof of methaan vasthouden, " zegt Smit.

Smith waarschuwt dat MOF-onderzoek tientallen jaren kan duren voordat het tot bloei komt. Het polymeeronderzoek van zijn laboratorium, echter, is veel verder, met commerciële oplossingen die in de komende vijf tot tien jaar worden verwacht.

"Het zou een echte gamechanger kunnen zijn, " hij zegt.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.