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更环保 更有效的天然气过滤

发布时间:2019-05-14 16:33:34 来源:

近年来,天然气和沼气在世界范围内成为越来越受欢迎的能源,这要归功于与煤和石油相比,它们更清洁,更有效的燃烧过程。

然而,在气体中存在诸如二氧化碳的污染物意味着必须首先将其净化,然后才能作为燃料燃烧。

传统的净化天然气的方法通常涉及使用有毒溶剂并且是非常耗能的。

因此,研究人员一直在研究使用膜作为一种以更具成本效益和环保的方式从天然气中去除杂质的方法,但是找到一种能够快速有效地分离气体的聚合物材料迄今已被证明是一项挑战。

现在,在今天发表在“ 高级材料 ”杂志上的一篇论文中,麻省理工学院的研究人员描述了一种新型聚合物膜,它可以显着提高天然气净化效率,同时减少对环境的影响。

据麻省理工学院化学系研究生袁鹤介绍,该膜由麻省理工学院的跨学科研究团队设计,能够比传统材料更快地加工天然气。

“我们的设计可以在更短的时间内处理更多的天然气 - 去除更多的二氧化碳,”他说。

现有的膜通常使用线性聚合物线制成,麻省理工学院化学工程的Joseph R. Mares职业发展教授Zachary Smith说,他领导了这项研究工作。

“这些是长链聚合物,在分子水平看起来像煮熟的意大利面条,”他说。“你可以使这些煮熟的意大利面条更加坚硬,这样你就可以在面条之间创造空间,改变包装结构和分子可以渗透的间隔。”

然而,这种材料的多孔性不足以使二氧化碳分子以足够快的速度渗透通过它们以与现有的纯化方法竞争。

研究人员没有使用长链聚合物,而是设计了一种膜,其中的线条看起来像发刷,每根线上都有细小的刷毛。这些刷毛使聚合物更有效地分离气体。

“我们有一个新的设计策略,我们可以调整发刷上的刷毛,这使我们可以精确和系统地调整材料,”史密斯说。“通过这样做,我们可以创建精确的亚纳米间距,并实现我们需要的相互作用类型,以创建选择性和高渗透性的膜。”

研究人员报告说,在实验中,这种膜能够承受前所未有的高达51巴的二氧化碳进料压力而不会发生塑化。相比之下,性能最佳的材料约为34 bar。据该团队称,该膜的渗透性比传统膜高2,000至7000倍。

Francesco Benedetti表示,由于侧链或“刷毛”可以在聚合前进行预先设计,因此在聚合物中加入一系列功能要容易得多,据化学系史密斯研究实验室的访问研究生Francesco Benedetti说。麻省理工学院的工程学

该研究还包括Timothy Swager,John D. MacArthur化学教授,Troy Van Voorhis,Haslam和Dewey化学教授,麻省理工学院研究生Hong-Zhou Ye和Sharon Lin,M。Grazia DeAngelis,博洛尼亚大学,刘超,赵艳川,中国科学院院士。

“通过对我们预先设计的侧链或刷子进行非常细微的变化,可以调整材料的性能,”Benedetti说。“这非常重要,因为这意味着我们可以针对非常不同的应用程序,只需进行非常微妙的更改。”

更重要的是,研究人员发现他们的发刷聚合物能够更好地承受导致其他膜失效的条件。

在现有的膜中,长链聚合物链彼此重叠,粘在一起形成固态膜。但随着时间的推移,聚合物链相互滑动,造成物理和化学不稳定。

相比之下,在新的膜设计中,聚合物刷毛全部通过长链连接,该长链充当骨架。结果,各个刷毛不能移动,从而形成更稳定的膜材料。

史密斯说,这种稳定性使材料具有前所未有的耐受性,即称为塑化的过程,其中聚合物在侵蚀性原料如二氧化碳存在下膨胀。

“我们已经看到了传统聚合物中我们从未见过的稳定性,”他说。

研究人员现在正计划对刷子的化学和结构进行系统研究,以研究它如何影响它们的性能,他说。

“我们正在寻找最有效的化学和结构来帮助分离过程。”

该团队还希望研究其膜设计在其他应用中的应用,包括碳捕获和储存,甚至分离液体。

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