研究人員開發(fā)了一種新的膜技術(shù)，可以更有效地從混合氣體中去除二氧化碳 (CO 2 )，例如發(fā)電廠的排放物。
“為了展示我們新膜的能力，我們研究了 CO 2和氮的混合物，因為 CO 2 /二氧化氮混合物在減少發(fā)電廠溫室氣體排放的背景下特別重要，”共同通訊的 Rich Spontak 說關(guān)于這項工作的論文的作者。“我們已經(jīng)證明，我們可以極大地提高膜去除 CO 2的選擇性，同時保持相對較高的 CO 2滲透性。”
“我們還研究了 CO 2和甲烷的混合物，這對天然氣工業(yè)很重要，”北卡羅來納州立大學(xué)化學(xué)和生物分子工程杰出教授和材料科學(xué)與工程教授 Spontak 說。“此外，這些 CO 2過濾膜可用于需要從混合氣體中去除 CO 2的任何情況——無論是生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用還是從潛艇中的空氣中凈化 CO 2 。”
膜是一種從混合氣體中去除 CO 2的有吸引力的技術(shù)，因為它們不占用太多物理空間，可以制成各種尺寸，并且可以輕松更換。另一種常用于去除 CO 2的技術(shù)是化學(xué)吸收，它包括將混合氣體鼓泡通過含有液態(tài)胺的柱子，從而從氣體中去除 CO 2。然而，吸收技術(shù)的足跡要大得多，而且液態(tài)胺往往是有毒和腐蝕性的。
這些膜過濾器的工作原理是讓 CO 2比混合氣體中的其他成分更快地通過膜。結(jié)果，從膜的另一側(cè)流出的氣體比進入膜的氣體具有更高比例的CO 2 。通過捕獲從膜中流出的氣體，您捕獲的 CO 2比捕獲的其他成分氣體多。
這種膜的長期挑戰(zhàn)是在滲透性和選擇性之間進行權(quán)衡。滲透性越高，氣體通過膜的速度就越快。但當(dāng)滲透率上升時，選擇性下降——這意味著氮氣或其他成分也會快速通過膜——降低混合物中 CO 2與其他氣體的比例。In other words, when selectivity goes down you capture relatively less CO 2 .
來自美國和挪威的研究小組通過在現(xiàn)有膜的表面上生長既親水又親 CO 2的化學(xué)活性聚合物鏈來解決這個問題。這增加了CO 2的選擇性并且導(dǎo)致滲透性的相對降低。
“簡而言之，在滲透性幾乎沒有變化的情況下，我們已經(jīng)證明我們可以將選擇性提高多達 150 倍，”該論文的共同通訊作者、獨立研究機構(gòu) SINTEF Industry 的高級研究科學(xué)家 Marius Sandru 說挪威的組織。“因此，相對于氣體混合物中的其他物質(zhì)，我們捕獲了更多的 CO 2 。”
膜 CO 2過濾器面臨的另一個挑戰(zhàn)是成本。以前的膜技術(shù)越有效，它們往往就越昂貴。
“因為我們想創(chuàng)造一種商業(yè)上可行的技術(shù)，我們的技術(shù)從已經(jīng)廣泛使用的膜開始，”Spontak 說。“然后我們設(shè)計了這些膜的表面以提高選擇性。雖然這確實增加了成本，但我們認(rèn)為改性膜仍然具有成本效益。”
“我們接下來的步驟是看看我們在這里開發(fā)的技術(shù)在多大程度上可以應(yīng)用于其他聚合物，以獲得可比較甚至更好的結(jié)果;并升級納米制造工藝，”Sandru 說。“老實說，盡管這里的結(jié)果令人興奮，但我們還沒有嘗試優(yōu)化這個修改過程。我們的論文報告了概念驗證結(jié)果。”
研究人員還對探索其他應(yīng)用感興趣，例如新的膜技術(shù)是否可以用于生物醫(yī)學(xué)呼吸機設(shè)備或水產(chǎn)養(yǎng)殖領(lǐng)域的過濾設(shè)備。
研究人員表示，他們愿意與行業(yè)合作伙伴一起探索這些問題或機會，以幫助緩解全球氣候變化和改善設(shè)備功能。
該論文發(fā)表在《科學(xué)》雜志上。
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