Aardgas en biogas zijn de afgelopen jaren wereldwijd steeds populairder geworden als energiebronnen, dankzij hun schonere en efficiëntere verbrandingsproces in vergelijking met kolen en olie.

Echter, de aanwezigheid van verontreinigingen zoals kooldioxide in het gas betekent dat het eerst moet worden gezuiverd voordat het als brandstof kan worden verbrand.

Traditionele processen om aardgas te zuiveren, omvatten doorgaans het gebruik van giftige oplosmiddelen en zijn extreem energie-intensief.

Als resultaat, onderzoekers hebben het gebruik van membranen onderzocht als een manier om onzuiverheden uit aardgas te verwijderen op een meer kosteneffectieve en milieuvriendelijke manier, maar het vinden van een polymeermateriaal dat gassen snel en effectief kan scheiden, is tot nu toe een uitdaging gebleken.

Nutsvoorzieningen, in een artikel dat vandaag in het tijdschrift is gepubliceerd Geavanceerde materialen , onderzoekers van MIT beschrijven een nieuw type polymeermembraan dat de efficiëntie van aardgaszuivering drastisch kan verbeteren en tegelijkertijd de impact op het milieu kan verminderen.

het membraan, die is ontworpen door een interdisciplinair onderzoeksteam aan het MIT, is in staat om aardgas veel sneller te verwerken dan conventionele materialen, volgens hoofdauteur Yuan He, een afgestudeerde student in de afdeling Scheikunde aan het MIT.

"Ons ontwerp kan veel meer aardgas verwerken - veel meer koolstofdioxide verwijderen - in een kortere tijd, " Hij zegt.

Bestaande membranen worden meestal gemaakt met behulp van lineaire strengen polymeer, zegt Zachary Smith, de Joseph R. Mares Career Development Professor of Chemical Engineering aan het MIT, die dit onderzoek leidde.

"Dit zijn polymeren met lange ketens, die op moleculair niveau lijken op gekookte spaghettinoedels, "zegt hij. "Je kunt deze gekookte spaghettinoedels stijver maken, en zo creëer je ruimtes tussen de noedels die de verpakkingsstructuur veranderen en de ruimte waardoor moleculen kunnen doordringen."

Echter, dergelijke materialen zijn niet voldoende poreus om kooldioxidemoleculen er snel genoeg doorheen te laten dringen om te kunnen concurreren met bestaande zuiveringsprocessen.

In plaats van lange ketens van polymeren te gebruiken, de onderzoekers hebben membranen ontworpen waarin de strengen op haarborstels lijken, met kleine borstelharen op elke streng. Deze borstelharen zorgen ervoor dat de polymeren gassen veel effectiever kunnen scheiden.

"We hebben een nieuwe ontwerpstrategie, waar we de borstelharen op de haarborstel kunnen afstemmen, waarmee we het materiaal nauwkeurig en systematisch kunnen afstemmen, "zegt Smith. "Door dat te doen, we kunnen nauwkeurige subnanometerafstanden maken, en de soorten interacties mogelijk maken die we nodig hebben, om selectieve en zeer permeabele membranen te creëren."

Bij experimenten, het membraan was bestand tegen ongekende kooldioxide-toevoerdrukken tot 51 bar zonder te lijden aan plasticisering, melden de onderzoekers. Dit in vergelijking met ongeveer 34 bar voor de best presterende materialen. Het membraan is ook 2, 000 -7, 000 keer meer doorlaatbaar dan traditionele membranen, volgens de ploeg.

Aangezien de zijketens, of "borstelharen, " kan vooraf worden ontworpen voordat het wordt gepolymeriseerd, het is veel gemakkelijker om een ​​reeks functies in het polymeer op te nemen, volgens Francesco Benedetti, een bezoekende afgestudeerde student binnen Smith's onderzoekslab in de afdeling Chemical Engineering aan het MIT.

Het onderzoek omvatte ook Timothy Swager, de John D. MacArthur hoogleraar scheikunde, en Troy Van Voorhis, de Haslam en Dewey hoogleraar scheikunde, MIT-afgestudeerde studenten Hong-Zhou Ye en Sharon Lin, M. Grazia DeAngelis aan de Universiteit van Bologna, en Chao Liu en Yanchuan Zhao aan de Chinese Academie van Wetenschappen.

"De prestaties van het materiaal kunnen worden afgesteld door zeer subtiele veranderingen in de zijketens aan te brengen, of borstels, dat we vooraf ontwerpen, " zegt Benedetti. "Dat is heel belangrijk, omdat het betekent dat we ons op zeer verschillende toepassingen kunnen richten, gewoon door heel subtiele veranderingen aan te brengen."

Bovendien, de onderzoekers hebben ontdekt dat hun haarborstelpolymeren beter bestand zijn tegen omstandigheden waardoor andere membranen zouden falen.

In bestaande membranen, de polymeerstrengen met lange ketens overlappen elkaar, aan elkaar plakken om solid-state films te vormen. Maar na verloop van tijd schuiven de polymeerstrengen over elkaar heen, het creëren van een fysieke en chemische instabiliteit.

In het nieuwe membraanontwerp in tegenstelling tot, de polymeerborstels zijn allemaal verbonden door een lange keten, die als ruggengraat fungeert. Als resultaat, de afzonderlijke borstelharen kunnen niet bewegen, het creëren van een stabieler membraanmateriaal.

Deze stabiliteit geeft het materiaal een ongekende weerstand tegen een proces dat plastificatie wordt genoemd, waarin polymeren zwellen in aanwezigheid van agressieve grondstoffen zoals kooldioxide, zegt Smit.

"We hebben stabiliteit gezien die we nog nooit eerder hebben gezien in traditionele polymeren, " hij zegt.

Het gebruik van polymeermembranen voor gasscheiding biedt een hoge energie-efficiëntie, minimale impact op het milieu, en eenvoudige en continue werking, maar bestaande commerciële materialen hebben een lage doorlaatbaarheid en matige selectiviteit, waardoor ze minder concurrerend zijn dan andere, meer energie-intensieve processen, zegt Yan Xia, een assistent-professor scheikunde aan de Stanford University, die niet bij het onderzoek betrokken was.

"De membranen van deze polymeren vertonen een zeer hoge doorlaatbaarheid voor verschillende industrieel belangrijke gassen, "zegt Xia. "Verder, deze polymeren vertonen weinig ongewenste plastificering naarmate de gasdruk wordt verhoogd, ondanks hun relatief flexibele ruggengraat, waardoor ze gewenste materialen zijn voor kooldioxide-gerelateerde scheidingen."

De onderzoekers zijn nu van plan om een ​​systematische studie uit te voeren naar de chemie en structuur van de penselen, onderzoeken hoe dit hun prestaties beïnvloedt, Hij zegt.

"We zijn op zoek naar de meest effectieve chemie en structuur om het scheidingsproces te helpen."

Het team hoopt ook het gebruik van hun membraanontwerpen in andere toepassingen te onderzoeken, inclusief afvang en opslag van koolstof, en zelfs bij het scheiden van vloeistoffen.