वर्तमान में विकास में आने वाली कई आशाजनक प्रौद्योगिकियां ऊर्जा की खपत को कम कर सकती हैं या जैव प्रौद्योगिकी, कंप्यूटर विज्ञान, नैनोटेक्नोलॉजी, सामग्री विज्ञान जैसे क्षेत्रों में कार्बन मिल सकती हैं। हालांकि सभी चीजें व्यवहार्य नहीं साबित होती हैं, केवल धन की एक छोटी राशि प्रशिक्षण के साथ, बहुत से लोग इस ग्रह की महान चुनौतियों का समाधान करने में सहायता कर सकते हैं।
मैसाचुसेट्स इंस्टीट्यूट ऑफ टेक्नोलॉजी डिपार्टमेंट ऑफ केमिकल इंजीनियरिंग में एक नए दृष्टिकोण से औद्योगिक विभेदकों के लिए उभर रहा है, जहां प्रोफेसर ज़ाचरी स्मिथ नए बहुलक झिल्ली पर काम कर रहे हैं जो रासायनिक पृथक्करणों में ऊर्जा उपयोग को बहुत कम करते हैं। वह नैनोस्केल मेटल-कार्बनिक फ़्रेमवर्क (एमओएफ) में पॉलिमर फिल्मों के प्रदर्शन में सुधार के लिए और अध्ययन कर रहे हैं।
यूसुफ आर मैरेस (1 9 24) ज़ैचरी स्मिथ, केमिकल इंजीनियरिंग कैरियर विकास के एसोसिएट प्रोफेसर। स्रोत: डेविड सेला
'हम न केवल परिवहन, ऊष्मप्रवैगिकी और प्रतिक्रिया के मूल सिद्धांतों से सामग्री का विश्लेषण और विश्लेषण करते हैं, लेकिन हम इस ज्ञान को मॉडल बनाने और नए सामग्रियों को डिज़ाइन करना शुरू करते हैं, जो पहले कभी उपलब्ध नहीं थे' स्मिथ ने कहा 'इसके बारे में प्रयोगशाला से बड़े पैमाने पर उत्पादन और समाज पर इसके प्रभाव के बारे में सोचना रोमांचक है।'
स्मिथ अक्सर जुदाई तकनीक पर उद्योग के विशेषज्ञों के साथ विचारों का आदान। हालांकि 2015 पेरिस जलवायु समझौते से अमेरिका वापसी, लेकिन अभी तक इस समझौते वैध रहेगा। स्मिथ रासायनिक और पेट्रोकेमिकल उद्योग पर ध्यान केंद्रित उत्सर्जन को कम करने का दबाव महसूस करने के लिए शुरू कर दिया। का प्रयोग करें करने के लिए अलग हीटिंग और कूलिंग टावरों काफी ऊर्जा, और निर्माण और रखरखाव की आवश्यकता होती लागत गाओ आंग, इसलिए उद्योग भी लागत को कम करने के तरीके की मांग है।
स्मिथ ने कहा रासायनिक और पेट्रोकेमिकल उद्योग, औद्योगिक उत्पादन की प्रक्रिया, एक तिहाई के लिए कुल अमेरिका ऊर्जा का एक चौथाई की खपत है, जबकि औद्योगिक जुदाई ऊर्जा की खपत के आधे के लिए जिम्मेदार है। आसवन जुदाई, से ऊर्जा के आधे के बारे में जो प्रक्रिया एक बहुत मजबूत गर्मी या क्रायोजेनिक आसवन के मामले में भी के तहत चरम ठंडा और अधिक ऊर्जा गहन किया जाता है की आवश्यकता है,,।
'यह उबलते के लिए ऊर्जा का एक बहुत आवश्यकता है और फिर मिश्रण उबला हुआ, और कम कुशल है, क्योंकि यह एक चरण में बदलाव की आवश्यकता है।' स्मिथ ने कहा। 'झिल्ली जुदाई प्रौद्योगिकी इन चरण परिवर्तन से बचा जाता है, और कम ऊर्जा का उपयोग गैर बहुलक हो सकता है दोषपूर्ण, आप उन्हें चयनात्मक 100 एनएम मोटी फिल्मों में डाल सकते हैं जो एक फुटबॉल मैदान को कवर करते हैं।
स्मिथ ने कहा हालांकि, कई कठिनाइयों कर रहे हैं। केवल औद्योगिक गैस जुदाई प्रक्रियाओं के एक छोटे से हिस्से के लिए जुदाई झिल्ली, के बाद से बहुलक फिल्म 'आम तौर पर अक्षम है, आसवन के प्रदर्शन से मेल नहीं खाता।'। 'वर्तमान में पर्याप्त फिल्म निर्माण प्रदान नहीं राशि उच्च मात्रा अनुप्रयोगों के लिए (प्रवाह के रूप में), लेकिन जब एक और अधिक आक्रामक फ़ीड धारा, उनकी रासायनिक और भौतिक गुण स्थिर नहीं कर रहे हैं। '
ये प्रदर्शन की समस्याओं ज्यादातर की वजह से बहुलक का भ्रम उत्पन्न कर दिया अनाकार घटना या एन्ट्रापी फार्म जाता है। 'तत्काल एक बहुलक उपयोगी ज्यामितीय आकार बनाने के लिए कार्रवाई की है, लेकिन समय अणु के साथ झिल्ली बहुलक के आंदोलन की दूरी भिन्न हो सकते हैं।' स्मिथ उन्होंने कहा कि 'मुश्किल राज्य के झरझरा आंतरिक से मुक्त मात्रा को नियंत्रित करने के लिए।'
इस चुनौती को पूरा करने के लिए, स्मिथ प्रयोगशाला, नैनोस्केल फीचर्स और रसायन विज्ञान को पॉलिमर के लिए बेहतर सूक्ष्म विभेदकों को प्राप्त करने की कोशिश कर रहा है, केवल अणुओं के एक अंश का सबसे अधिक मांग वाला वैकल्पिक अलग आयाम, स्मिथ ने कहा, नई सामग्री एक अणु को 'अवशोषित' कर सकती है और दूसरे को अस्वीकार कर सकती है। '
उच्चतर-थ्रूपुट और उच्च-चयनात्मक बहुलक झिल्ली बनाने के प्रयास में, स्मिथ की टीम अब एमआईटी प्रयोगशालाओं में पारंपरिक उपन्यास, अनाकार पॉलिमर में विकसित उपन्यास बहुलक-टेम्पलेट आदेश संरचनाओं को फिर से इंजीनियरिंग कर रही है, समझाया, "फिर, हमने एक प्रसार पथ बनाने के लिए पोस्ट-संश्लेषण के लिए एक नैनोस्केल जेब का इस्तेमाल किया।"
स्मिथ लेबोरेटरीज की कई तकनीकी सफलता के बावजूद, उच्च मात्रा अनुप्रयोगों को प्राप्त करने के लिए आवश्यक थ्रूपूट एक चुनौती है, जो इस समस्या को जटिल बनाता है क्योंकि रासायनिक और पेट्रोकेमिकल उद्योग 200 से अधिक विभिन्न प्रकार के आसुत पृथक प्रक्रियाओं का उपयोग करते हैं हालांकि, यह भी एक फायदा है कि जब नई प्रौद्योगिकियों को शुरू किया जाता है, तो शोधकर्ता एक साथ रातोंरात उद्योग को बदलने की कोशिश करने के बजाय निक्शे की तलाश कर सकते हैं।
स्मिथ ने कहा, 'हम सबसे प्रभावशाली लक्ष्यों की तलाश कर रहे हैं।' हमारी पतली फिल्म टेक्नोलॉजी एक छोटे से क्षेत्र को कवर करती है ताकि आप उन्हें दूरस्थ क्षेत्रों या अपतटीय प्लेटफार्मों में इस्तेमाल कर सकें। '
चूंकि फिल्म छोटा है, हल्के वजन, यह हवा से नाइट्रोजन का विमान झिल्ली जुदाई पर इस्तेमाल किया गया है। नाइट्रोजन तो आदेश दूरस्थ प्राकृतिक गैस कुओं पर फोड़ से बचने के लिए कोट करने के लिए टैंक इस्तेमाल किया गया था, झिल्ली भी कार्बन डाइऑक्साइड को हटाने के लिए प्रयोग किया जाता है, और अधिक में पायी जाती है महान पेट्रोकेमिकल अनुप्रयोग (जैसे हाइड्रोजन निकालना) सही जगह मिलते हैं
ईथेन, नाइट्रोजन - - मीथेन और हवा की जुदाई एथिलीन से कई प्लास्टिक उपभोक्ता वस्तुओं रहे हैं स्मिथ के लक्ष्य क्रायोजेनिक आसवन स्तंभ उपकरण है, जो पेट्रोकेमिकल उद्योग में चरम ठंडा, सहित एथिलीन का उत्पादन करने के भारी ऊर्जा की आवश्यकता है के लिए विस्तार करने के लिए है नतीजतन, विनिर्माण प्रक्रिया में ऊर्जा की लागत को कम करने से बहुत अधिक लाभ मिल सकता है
स्मिथ 'क्रायोजेनिक आसवन करके, न केवल की समान आकार और इसी तरह के अणुओं thermodynamic के गुणों को अलग करने' ने कहा: 'आसवन स्तंभ ऊंचाई 200 या 300 फीट तक पहुंच सकता है, प्रवाह की दर बहुत अधिक है, तो जुदाई की लागत अरबों डॉलर तक पहुँच सकता है, वैक्यूम बनाए रखने के लिए और -120 डिग्री सेल्सियस ऑपरेटिंग सिस्टम पर आवश्यक ऊर्जा भारी है।
अन्य संभावित अनुप्रयोगों में शामिल हैं बहुलक फिल्मों 'कार्बन डाइऑक्साइड, या एक तेल या नाइट्रोजन या मीथेन। से रासायनिक यौगिकों को अलग करने का अन्य विभिन्न प्रकार को हटाने की एक विधि को खोजने के' स्मिथ ने कहा।
कार्बन कब्जा और भंडारण भी आवेदनों की संभावित श्रृंखला है, उन्होंने कहा: 'यदि वहाँ आज कार्बन डाइऑक्साइड कब्जा आर्थिक प्रेरक बल, यह सबसे बड़ा कार्बन कैप्चर राशि 10 बार फिल्म हम स्पंज की तरह सामग्री है कि कार्बन डाइऑक्साइड को अवशोषित निर्माण कर सकते हैं की राशि से गुणा किया जाएगा। , और प्रभावी ढंग से, अलग इतनी के रूप में दबाव और जमीन में संग्रहित किया जाना है। '
गैस जुदाई बहुलक फिल्म का उपयोग कर में से एक चुनौती एक हाइड्रोकार्बन बहुलक से बना है आम तौर पर स्मिथ कहते है: "आप बहुलक हाइड्रोकार्बन घटकों के एक ही प्रकार है, तो आप बहुलक अलग करने के लिए कोशिश कर रहा हो जाएगा , प्रफुल्लित भंग या जुदाई प्रदर्शन का नुकसान। हम बेहतर बातचीत ऐसे बहुलक में पेश किया फ्लोरीन, और झिल्ली को हाइड्रोकार्बन मिश्रण के रूप में गैर हाइड्रोकार्बन घटकों, चाहता हूँ। '
एक साथ जुड़े एक हाइड्रोकार्बन केवल समस्या का समाधान नहीं कर सकते हैं बनाने के लिए एक जैविक लिंकर MOFs द्वारा बहुलक के लिए स्मिथ MOFs (धातु कार्बनिक ढांचे मिश्रित) जोड़ने की कोशिश कर। धातु आयनों या धातु समूहों, लेकिन यह भी एन्ट्रापी विकारों की समस्या को हल कर सकते हैं।
'को आप MOFs सामग्री एक, स्थायी सरंध्रता के दो, या तीन आयामी क्रिस्टल संरचना का गठन किया गया है।' स्मिथ कहते हैं। 'चम्मच MOFs एक फुटबॉल मैदान इतनी बड़ी की अंदरूनी सतह क्षेत्र आपके द्वारा चयनित MOFs की अंदरूनी सतह के समारोह पर विचार कर सकते के बंधन या कुछ अणुओं अस्वीकार करते हैं, आप की अनुमति के लिए एक अणु अन्य द्वारा अस्वीकार कर दिया गया है आकार और छेद की ज्यामिति को परिभाषित कर सकते हैं। '
पॉलिमर के विपरीत, MOFs आमतौर पर संरचना के आकार में परिवर्तन नहीं होता है, तो के रूप में समय पर चला जाता है, अधिक समय तक चलने वाले छेद एक और स्मिथ ने कहा बनाए रखने के लिए: 'वे चुनौती का हम सामना उम्र बढ़ने द्वारा के रूप में कुछ बहुलक गिरावट कैसे किया जाता है नहीं कर रहे हैं क्रिस्टलीय सामग्री एक पतली फिल्म की प्रक्रिया में बनाया जा सकता है, एक विधि हम बहुलक में बिखरे MOFs नैनोकणों के रूप में ले रहे हैं, जबकि MOFs कार्यकुशलता और उत्पादकता का पूरा उपयोग को बनाए रखने आप MOFs की अनुमति होगी। '
बहुलक फिल्म की शुरूआत की एक संभावित लाभ से बढ़ जाता है MOFs प्रक्रिया उत्कटता: अलग उत्प्रेरक प्रक्रिया बंधन या एक अलग कदम उच्च दक्षता स्मिथ को प्राप्त करने में कहते हैं: "आप एक मिश्रित गैस और मिश्रण को अलग करने में सक्षम के संयोजन पर विचार कर सकते एक साथ करने के लिए अनुमति दी गई थी MOFs के उत्प्रेरक प्रतिक्रिया। कुछ MOFs भी एक तिर्यक एजेंट के रूप में, बल्कि सीधे एक साथ एक तिर्यक बहुलक का उपयोग करने से इस्तेमाल किया जा सकता। आप बहुलक मैट्रिक्स में बिखरे MOFs कणों के बीच संबंध स्थापित कर सकते हैं, जो जुदाई पैदा करेगा और अधिक स्थिरता। '
इसके झरझरा प्रकृति के कारण, MOFs के हाइड्रोजन कब्जा करने के लिए प्रयोग की जाने वाली 'होने की संभावना है, मीथेन, और यहां तक कि कुछ मामलों में कार्बन डाइऑक्साइड कब्जा करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता। "स्मिथ।" एक स्पंज की तरह संरचना का निर्माण करने के लिए सही प्रकार, एक उच्च अवशोषण प्राप्त किया जा सकता है, तो दर। हालांकि, सामग्री चुनिंदा एक चुनौती संबंध का एक बहुत ही उच्च क्षमता के लिए इन घटकों में से एक में पाया जा सकता। '
'ईंधन टैंक में झरझरा सामग्री का उपयोग कर आप और अधिक हाइड्रोजन या मीथेन को समायोजित करने की अनुमति देता है: इसी प्रकार MOFs आवेदन हाइड्रोजन या प्राकृतिक गैस वाहन ईंधन भरने स्मिथ ने कहा स्टोर करने के लिए है।
स्मिथ चेताते हैं कि एमओएफ के अध्ययन के परिणाम बनाने के लिए दशकों तक ले सकते हैं, लेकिन अभी भी उनके प्रयोगशाला के बहुलक अनुसंधान में जाने का एक लंबा रास्ता तय है और अगले 5 से 10 वर्षों में व्यवसाय समाधान होने की उम्मीद है।
उन्होंने कहा: 'यह अध्ययन वास्तविक गेम परिवर्तक हो सकता है।'