Новый наноразмерный интерфейс помогает улавливать CO2 из промышленных выбросов

Новый наноразмерный интерфейс помогает улавливать CO2 из промышленных выбросов

Разрушение климата, вызванное выбросами углекислого газа (CO 2 ) в атмосферу, является основной экзистенциальной проблемой, с которой человечество сталкивается сейчас.

Наиболее приемлемым решением будет полное прекращение использования ископаемого топлива или, по крайней мере, быстрое сокращение его использования всеми странами в соответствии с Парижским соглашением. Это обеспечит ограничение планетарного потепления на 2 С. Однако сокращение выбросов происходит медленно, и большинство стран вряд ли достигнут целей сокращения.

Поэтому критически необходимы технологические решения для предотвращения крупных выбросов CO 2 . Некоторые технологии улавливания CO 2 например, сорбция жидкими аминными химическими веществами, уже готовы для применения в масштабе, однако они являются дорогостоящими и сопряжены с бременем утилизации токсичных химических веществ. как только они потеряли свое связывающее свойство CO 2 . Поэтому большое значение имеют альтернативные технологии.

Разделение газов с помощью мембран становится ключевой технологией для создания общества устойчивой энергии. Широкое использование мембран может помочь улавливать огромное количество углекислого газа, выделяющегося в различных промышленных процессах.

В отличие от обычного улавливания CO 2 разделение газа мембранами обещает экономически эффективное решение. Однако для достижения экономичного улавливания CO 2 в массовом масштабе мембранам необходимо несколько важных особенностей: быстрая транспортировка CO 2 через их структуру; высокая селективность в отношении CO 2 (то есть быть менее проницаемым барьером для других газов); механическая прочность и химическая стойкость.

Кроме того, мембраны должны состоять из материалов, недорогих при массовом производстве, и именно поэтому органические полимеры (обычные пластмассы и каучуки) являются наиболее привлекательными для промышленного применения.

Тонкопленочный композит представляет собой особую архитектуру мембран, обеспечивающую надежную структуру для промышленного применения. Эти мембраны, которые содержат в своей структуре несколько функциональных слоев (изготовленных из органических полимеров), предлагают хорошее решение для захвата крупномасштабного CO 2 .

Тем не менее, даже эталонные органические полимеры с лучшими характеристиками разделения (высокая CO 2 ] проницаемость и высокая CO 2 / N 2 селективности) изо всех сил пытаются обеспечить удовлетворительные характеристики разделения из-за неспособности сформировать достаточно тонкие, бездефектные и механически стабильные мембраны.

В этой работе мы впервые сообщаем, как в конечном итоге тонкие селективные слои (толщиной в несколько нанометров) могут быть использованы для достижения желаемых свойств разделения.

Мы использовали хорошо известные полимеры для этого исследования: полиэфирный блок-амид (Pebax-1657) в качестве селективного слоя и полидиметилсилоксан (PDMS) в качестве желобного слоя и исследовали, что происходит со свойством газоразделения, когда толщина селективного слоя подталкивается к экстремум в несколько нанометров.

Мы обнаружили, что когда селективный слой разделительных мембран становится очень тонким, он может образовывать специфическую границу раздела со слоем желоба в композитной структуре. Этот наноразмерный интерфейс обеспечивает неожиданно высокую селективность по отношению к CO 2 .

Нежная и сверхкороткая плазменная обработка гидрофобного слоя ПДМС, которая необходима для улучшения адгезии с гидрофильным селективным слоем, проявила себя как инструмент для контроля и настройки «активности» молекулярной границы раздела между двумя полимерами.

Мы обнаружили, что этот интерфейс оказывал определяющее влияние на селективность CO 2 мембран. Вместе с высокой скоростью проникновения, обеспечиваемой малой толщиной, разработанные мембраны прекрасно вписываются в область свойств разделения, необходимых для промышленного улавливания CO 2 (например, улавливание после сжигания на электростанциях, работающих на ископаемом топливе).

Эти результаты открывают новую неисследованную область управляемой интерфейсом газовой сепарации, которая может быть использована инженерами для разработки более эффективных мембран для различных полезных применений.

Для получения дополнительной информации об этом исследовании см. «Критическая роль молекулярной границы раздела в двухслойных наномембранах Pebax-1657 / PDMS на высокоэффективных CO 2 / N 2 [19459013»«газоразделение» Елена Селянчин, Роман Селянчин и Шигенори Фудзикава, ACS Applied Materials and Interfaces (2020), https://doi.org/10.1021/acsami.0c07344

Источник: http://i2cner.kyushu-u.ac.jp/en/

Source link