一种更好的气体分离方法

一种更好的气体分离方法.mp36:51来自bat独角兽

一种新的膜材料可以显着提高气体净化效率，可能有助于减少碳排放。

化学分离的工业过程，包括天然气净化以及用于医疗或工业用途的氧气和氮气的生产，共同负责世界能源使用的约 15%。它们还对世界温室气体排放量做出了相应的贡献。现在，麻省理工学院和斯坦福大学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，能耗和排放量约为 1/10。

众所周知，使用膜分离化学品比蒸馏或吸收等工艺更有效，但在渗透性（气体穿透材料的速度）和选择性（让所需分子通过的能力）之间始终存在权衡。通过同时阻止所有其他人。研究人员说，基于“烃梯”聚合物的新型膜材料系列克服了这种折衷，提供了高渗透性和极好的选择性。

该发现今天发表在《科学》杂志上，由斯坦福大学化学副教授 Yan Xia 撰写。麻省理工学院化学工程助理教授扎卡里·史密斯；阿卜杜拉国王科技大学教授 Ingo Pinnau 和其他五人。

气体分离是一种重要且广泛的工业过程，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，将二氧化碳与其他气体分离以捕获碳，以及生产氢气以供使用作为无碳运输燃料。新的梯形聚合物膜有望显着提高这种分离过程的性能。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，它们的渗透性提高了 100 倍，将氢气从甲烷中分离出来的选择性提高了三倍。

夏实验室在过去几年开发的新型聚合物被称为梯形聚合物，因为它们是由通过梯级键连接的双链形成的，这些键为聚合物提供了高度的刚性和稳定性。高分子材料。这些梯形聚合物是通过夏实验室开发的一种称为 CANAL 的高效和选择性化学合成的，CANAL 是催化芳烃-降冰片烯环化的首字母缩写，它将现成的化学物质缝合到具有数百甚至数千个梯级的梯形结构中。这些聚合物是在溶液中合成的，它们形成刚性和扭结的带状链，通过使用工业上可用的聚合物铸造工艺，可以很容易地将其制成具有亚纳米级孔隙的薄片。可以通过选择特定的烃类起始化合物来调整所得孔的大小。“这种化学和化学结构单元的选择使我们能够制造出具有不同配置的非常刚性的梯形聚合物，”夏说。

为了将 CANAL 聚合物用作选择性膜，此次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业知识。斯坦福大学前博士生 Holden Lai 对它们的结构如何影响气体渗透特性进行了大量的开发和探索。“我们花了八年的时间从?开发新的化学物质到找到赋予高分离性能的正确聚合物结构，”夏说。

Xia 实验室在过去几年中一直在改变 CANAL 聚合物的结构，以了解它们的结构如何影响其分离性能。令人惊讶的是，他们发现在其原始 CANAL 聚合物中添加额外的扭结可显着提高其膜的机械强度，并提高其对类似尺寸分子（例如氧气和氮气）的选择性，而不会失去更具渗透性的气体的渗透性。选择性实际上随着材料老化而提高。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中优于所有其他聚合物材料。

如今，全球 15% 的能源使用用于化学分离，而这些分离过程“通常基于百年技术”，Smith 说。“它们运作良好，但它们的碳足迹巨大，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流程。” 他补充说，这些过程中的大多数都需要高温来沸腾和再沸腾溶液，而这些通常是最难通电的过程。

他说，为了从空气中分离氧气和氮气，这两个分子的大小仅相差约 0.18 埃（十亿分之一米）。要制造能够有效分离它们的过滤器“在不降低吞吐量的情况下很难做到”。但他说，新的梯形聚合物在制成膜时会产生微小的孔，从而实现高选择性。在某些情况下，每个氮都会渗透 10 个氧分子，尽管需要使用极薄的筛子来获得这种类型的尺寸选择性。这些新的膜材料“在许多应用中具有所有已知聚合物材料的最高渗透性和选择性组合，”Smith 说。

史密斯说，这些材料在化学加工行业有多种潜在应用，包括将二氧化碳与其他气体混合物分离，以减少排放。另一种可能性是纯化由农业废弃物制成的沼气燃料，以提供无碳运输燃料。用于生产燃料或化学原料的氢分离也可以有效地进行，有助于向以氢为基础的经济过渡。

紧密结合的研究人员团队正在继续改进该过程，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包装如何产生超高选择性的细节。史密斯说，他预计该平台技术将在多种脱碳途径中发挥作用，首先是氢分离和碳捕获，因为迫切需要这些技术以过渡到无碳经济。

“这些令人印象深刻的新结构具有出色的气体分离性能，”佐治亚理工学院化学和生物分子工程副教授 Ryan Lively 说，他没有参与这项工作。“重要的是，在膜老化和膜受到浓缩气体混合物的挑战时，这种性能得到了改善。......如果他们能够缩放这些材料并制造膜组件，那么就会产生重大的潜在实际影响。”

该研究团队还包括斯坦福大学的 Jun Myun Ahn 和 Ashley Robinson、麻省理工学院的 Francesco Benedetti（现任 Osmoses 首席执行官）和沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的 Yingge Wang。这项工作得到了斯坦福天然气计划、斯隆研究奖学金、美国能源部基础能源科学办公室和国家科学基金会的支持。