Plusieurs des technologies prometteuses actuellement en développement peuvent réduire la consommation d'énergie ou obtenir du carbone dans des domaines comme la biotechnologie, l'informatique, la nanotechnologie, la science des matériaux, etc. Tout ne sera pas viable, seulement un petit financement Avec la formation, beaucoup de gens peuvent aider à résoudre les grands défis de cette planète.
Une telle solution émerge d'une nouvelle approche des séparations industrielles au département de génie chimique du Massachusetts Institute of Technology, où le professeur Zachary Smith travaille sur de nouvelles membranes polymères qui réduisent considérablement l'utilisation d'énergie dans les séparations chimiques. Il mène également d'autres études pour améliorer les performances des films polymères dans des structures métalliques-organiques nanométriques (MOF).
Joseph R Mares (1924) Zachary Smith, professeur agrégé de développement de carrières en génie chimique Source: David Sella
« Nous ne sommes pas seulement sur la base des principes de base du transport, thermodynamique et réactivité de la production et l'analyse du matériel, et nous avons commencé à appliquer ces connaissances pour créer des modèles et de nouveaux matériaux pour la performance de séparation de la conception, qui était auparavant n'a jamais atteint la. », A déclaré Smith «C'est passionnant d'y penser du laboratoire à la production de masse et de son impact sur la société.
Smith communique souvent avec les experts du secteur sur les technologies de séparation et reste juridiquement valide malgré le retrait des Etats-Unis de l'accord climatique de Paris 2015, avec Smith et les industries chimiques et pétrochimiques, principalement concernées par l'industrie, sous pression pour réduire les émissions. Les tours de chauffage et de refroidissement séparées nécessitent une énergie considérable et coûtent cher à construire et à entretenir, de sorte que l'industrie cherche également des moyens de réduire les coûts.
Smith a déclaré que les procédés industriels dans les industries chimiques et pétrochimiques consomment entre un quart et un tiers de l'énergie totale des États-Unis, alors que la séparation industrielle représente la moitié de l'énergie consommée et environ la moitié de l'énergie provient de la rectification. Un procédé nécessite une chaleur extrême, soit dans le cas d'une distillation cryogénique, soit d'un refroidissement extrême nécessitant encore plus d'énergie.
«Il faut beaucoup d'énergie pour faire bouillir et reboucler le mélange et c'est moins efficace parce qu'il nécessite des transitions de phase», a déclaré Smith. «Les techniques de séparation membranaire peuvent éviter ces transitions de phase et consommer moins d'énergie. Défectueux, vous pouvez les projeter dans des films sélectifs de 100 nm d'épaisseur qui couvrent un terrain de football.
Cependant, il y a beaucoup de difficultés. Séparation à membrane seulement pour une petite partie des procédés de séparation des gaz industriels, puisque le film polymère « est généralement inefficace, ne correspond pas à la performance de la distillation. » Smith a dit. « À l'heure actuelle pas fournir la production cinématographique suffisante montant (appelé flux) pour les applications à volume élevé, mais quand un courant d'alimentation plus agressif, leurs propriétés chimiques et physiques ne sont pas stables.
Ces problèmes de performance sont la plupart du temps en raison de la confusion du polymère tend à former phénomène amorphe causé ou entropie. « Readily traité pour former un polymère forme géométrique utile, mais peut varier avec la molécule de temps, la distance de déplacement du polymère de la membrane. » Smith il a dit « difficile de contrôler le volume libre de l'intérieur poreux de l'Etat. »
Pour relever ce défi, Smith Laboratory tente d'ajouter des caractéristiques nanométriques et de la chimie aux polymères pour obtenir des séparations à grains plus fins, la dimension de séparation optionnelle la plus exigeante d'une fraction seulement de molécules, a déclaré Smith. Les nouveaux matériaux peuvent «absorber» une molécule et en rejeter une autre.
Dans le but de créer des membranes polymères à plus haut débit et plus sélectives, l'équipe de Smith est en train de réorganiser les nouvelles structures ordonnées de matrice polymère développées dans les laboratoires du MIT en polymères amorphes traditionnellement amorphes, Expliqué, "Ensuite, nous avons utilisé une poche à l'échelle nanométrique pour la post-synthèse pour créer un chemin de diffusion."
Malgré le succès technique de Smith Laboratories, le débit requis pour réaliser des applications à haut volume reste un défi, ce qui complique le problème car les industries chimiques et pétrochimiques utilisent plus de 200 types différents de procédés de séparation par distillation. Cependant, c'est également un avantage que lors de l'introduction de nouvelles technologies, les chercheurs peuvent chercher des niches au lieu d'essayer de changer l'industrie du jour au lendemain.
«Nous cherchons les cibles les plus influentes», a déclaré Smith, «notre technologie de film mince couvre une petite zone, vous pouvez donc les utiliser dans des zones reculées ou des plates-formes offshore».
Etant donné que le film est faible, le poids léger, elle a été utilisée lors de la séparation de la membrane d'aéronef de l'azote de l'air. L'azote a ensuite été utilisé pour revêtir le réservoir afin d'éviter l'éclatement des puits de gaz naturel à distance, la membrane est également utilisé pour éliminer le dioxyde de carbone, et a une partie de plus grandes applications pétrochimiques (par exemple d'élimination d'hydrogène) trouver un endroit approprié.
L'objectif de Smith est d'étendre à l'équipement de la colonne de distillation cryogéniques, ce qui nécessite énormément d'énergie pour produire un refroidissement extrême dans l'industrie pétrochimique, y compris l'éthylène - éthane, azote - séparation du méthane et de l'air sont nombreux biens de consommation en plastique à partir d'éthylène en, réduisant ainsi les coûts d'énergie dans le processus de fabrication peut apporter de grands avantages.
«Par distillation cryogénique, non seulement pour séparer les propriétés thermodynamiques de taille similaire et des molécules similaires Smith a déclaré: » la hauteur de la colonne de distillation peut atteindre 200 ou 300 pieds, le débit est très élevé, de sorte que le coût de la séparation pourrait atteindre des milliards de dollars pour maintenir le vide Et l'énergie nécessaire pour faire fonctionner le système à -120 degrés Celsius est énorme.
D'autres applications potentielles pour les membranes polymères comprennent la découverte d'autres façons d'éliminer le dioxyde de carbone de l'azote ou du méthane ou de séparer différents types de paraffine ou de charge chimique, a déclaré Smith.
Le captage et le stockage du carbone constituent également un domaine d'application potentiel: «Si les facteurs économiques actuels sont la capture du dioxyde de carbone, la capture du carbone sera multipliée par 10 au maximum. Nous pouvons fabriquer un matériau semblable à l'éponge qui absorbe le dioxyde de carbone , Et effectivement le séparer afin de le pressuriser et de le stocker sous terre.
Un défi lors de l'utilisation des membranes polymères dans la séparation des gaz est que le polymère est généralement fait d'hydrocarbures.Smith dit: «Si votre polymère contient le même type de composants d'hydrocarbures, alors le polymère que vous essayez de séparer sera Gonfler, dissoudre ou perdre la séparation. Nous aimerions introduire des composants non-hydrocarbure tels que le fluor dans le polymère de sorte que la membrane interagisse mieux avec le mélange à base d'hydrocarbure. "
Essayer d'ajouter Smith MOFs (__gVirt_NP_NN_NNPS<__ composé de métal de cadre organique) au polymère. Des ions métalliques ou des agrégats métalliques par un MOFs de liaison organiques reliés entre eux pour former un hydrocarbure peut non seulement de résoudre le problème, mais peut aussi régler le problème des troubles de l'entropie.
« Assurez-vous matériau MOF est formé d'un, deux ou structure cristalline en trois dimensions de la porosité permanente. » Smith dit. « Cuillerée à café MOFs surface intérieure d'un terrain de football si grand, vous pouvez considérer la fonction de la surface intérieure de MOFs sélectionnée de la liaison ou de rejeter certaines molécules, on peut définir la forme et la géométrie du trou pour permettre une molécule est rejetée par l'autre.
Contrairement à des polymères, ne MOFs change généralement pas la forme de la structure, de sorte que le temps passe, plus les trous pour maintenir durablement une autre Smith a dit: « Ils ne sont pas aussi certaine dégradation du polymère par le vieillissement défi auquel nous sommes confrontés est de savoir comment le matériau cristallin peut être transformé en un processus de film mince, une méthode est nous prenons sous forme de nanoparticules dispersées dans le MOFs polymère, vous laisserais MOFs tout en maintenant l'utilisation complète de l'efficacité et de la productivité MOFs.
Un avantage potentiel de l'introduction du film de polymère est renforcée intensification des procédés MOFs: liaison différent processus catalytique ou dans une étape séparée pour obtenir un rendement plus élevé dit Smith: « Vous pouvez envisager de combiner une capable de séparer le gaz mixte et le mélange a été laissé à la fois réaction catalytique de MOFs. Certains MOFs peut également être utilisé comme agent de réticulation, au lieu d'utiliser directement un polymère réticulé ensemble. on peut établir des liens entre dispersées dans la matrice polymère des particules MOF, qui va créer une séparation une plus grande stabilité.
En raison de leur nature poreuse, les MOF sont susceptibles d'être utilisés pour «capturer l'hydrogène, le méthane et, dans certains cas, capturer le dioxyde de carbone», a déclaré Smith. Cependant, trouver un matériau capable de lier sélectivement l'un de ces composants avec une très grande capacité est un défi.
Une application similaire des MOF alimente en hydrogène ou en gaz naturel les voitures, Smith a déclaré: "L'utilisation de matériaux poreux dans un réservoir de carburant vous permet de contenir plus d'hydrogène ou de méthane.
Smith prévient que les études sur les MOF peuvent prendre des dizaines d'années à produire des résultats, mais il reste encore beaucoup de chemin à parcourir dans sa recherche sur les polymères en laboratoire et devrait avoir une solution commerciale dans les cinq à dix prochaines années.
Il a dit: "Cette étude peut être un vrai changeur de jeu."