目前正在開發的許多很有前途的技術可以減少能源消耗, 或在生物技術, 計算機科學, 納米技術, 材料科學等領域獲取碳. 雖然不是所有的事情都會被證明是可行的, 但是只需要一點資金和培養, 許多人就可以幫助解決這個星球的巨大挑戰.
一種這樣的解決方案正在從工業分離過程的新方法中出現. 在麻省理工學院化學工程系, Zachary Smith教授正在研究新的聚合物膜, 這種膜可以大大減少化學分離中的能源使用. 他還正在進行更深入的提高納米級金屬有機框架(MOFs)聚合物膜性能的研究.
Joseph R Mares(1924)化學工程職業發展助理教授Zachary Smith. 來源: David Sella
'我們不僅從運輸, 熱力學和反應性的基本原理出發製作和分析材料, 而且我們開始將這些知識用於建立模型和設計新的分離性能的材料, 這是以前從未取得過的. ' Smith說. '仔細想想, 從實驗室到大規模生產以及它對社會造成的影響, 這是令人興奮的. '
史密斯經常與對分離技術有見解的行業專家交流. 儘管美國退出2015年的巴黎氣候協議, 但是到目前為止此協議仍然保持法律效力. 史密斯主要關注的化學和石化工業開始感受到減排壓力. 用於分離的加熱和冷卻塔需要相當大的能量, 並且建造和維護成本高昂, 因此該行業也在尋求降低成本的方式.
史密斯表示, 化學和石油化工行業的工業生產過程消耗了美國總能源的四分之一到三分之一, 而工業分離則佔據了其中一半的能源消耗. 大約一半的分離能源來自精餾, 這一過程需要極強的熱量, 或者在低溫蒸餾的情況下, 甚至是更耗能的極端冷卻下完成.
'這需要大量的能量來沸騰和再沸騰混合物, 而且效率更低, 因為它需要相變. ' 史密斯說. '膜分離技術可以避免這些相變, 並且使用更少的能量. 聚合物可以是無缺陷的, 你可以把它們澆鑄成選擇性的, 足以覆蓋一個足球場的100納米厚的薄膜. '
然而還有很多困難存在. 膜分離僅用於工業氣體分離過程的一小部分, 因為聚合物膜 '通常效率低下, 不能與蒸餾性能相匹配. ' 史密斯說. '目前的膜不能提供足夠的生產量(稱為助熔劑)用於高容量應用, 而且當使用更具侵蝕性的進料流時, 它們的化學和物理性質都不穩定. '
這些性能問題大多都是由於聚合物趨於無定形態或熵混亂的現象引起的. '聚合物易於加工形成有用的幾何形狀, 但分子可以通過聚合物膜移動的距離隨時間而變化. ' 史密斯說. '很難控制多孔態內部的自由體積. '
要求最嚴格的可選分離尺寸只有幾分之一埃分子. 為了應對這一挑戰, 史密斯實驗室正試圖在聚合物中添加納米級特徵和化學功能, 以實現更細粒度的分離. 史密斯說, '新材料可以 '吸收一種分子並拒絕另一種分子' . ' .
為了創造更高通量和更高選擇性的聚合物膜, 史密斯的團隊正將麻省理工學院實驗室開發的新型聚合物與模板有序結構反應成傳統無序的無定形聚合物. 正如他解釋的那樣, '然後, 我們用一種納米尺寸的口袋進行合成後處理, 形成擴散路徑. '
儘管史密斯實驗室在許多技術上取得了成功, 但實現高容量應用所需的通量仍然是一個挑戰. 由於化學和石化工業使用了200多種不同類型的蒸餾分離工藝, 這使得問題變得複雜. 然而, 這也是一個優勢, 當引進新技術時, 研究人員可以尋找利基, 而不是試圖一夜之間改變行業.
'我們正在尋找最具影響力的目標. ' 史密斯說. '我們的薄膜技術佔地面積小, 因此您可以在偏遠地區或海上石油平台上使用它們. '
由於薄膜體積小, 重量輕, 所以飛機上已經使用膜從空氣中分離氮氣. 然後將氮氣用於塗油箱以避免爆裂. 在偏遠的天然氣井中, 膜也被用於去除二氧化碳, 並且已經在一些較大的石化應用(例如氫氣去除)中找到了合適的位置.
史密斯的目標是擴大到低溫蒸餾塔的裝備上去, 這需要巨大的能量來產生極端冷卻. 在石油化學工業中, 包括乙烯-乙烷, 氮-甲烷和空氣的分離. 許多塑料消費品是由乙烯製成的, 因此降低製造過程中的能源成本可以帶來巨大的收益.
'通過低溫蒸餾, 不僅要分離大小相近且熱力學性質相近的分子. ' 史密斯說: '蒸餾塔的高度可以達到200或300英尺, 流速非常高, 因此分離的成本可能高達數十億美元, 保持真空和在-120攝氏度下作業系統所需的能量是巨大的.
聚合物膜的其他潛在應用包括 '尋找其他方法從氮氣或甲烷中去除二氧化碳或分離不同類型的石蠟或化學原料. ' 史密斯說道.
碳捕獲和封存也是潛在應用範圍. 他說: '如果今天有二氧化碳捕獲的經濟驅動力, 那麼碳捕集量將是膜的最大用量乘以10倍. 我們可以製造一種吸收二氧化碳的海綿狀材料, 並有效地將其分離, 以便將其加壓並將其儲存在地下. '
在氣體分離中使用聚合物膜時的一個挑戰是聚合物通常由碳氫化合物製成. 史密斯說: '如果你的聚合物中含有相同類型的碳氫化合物成分, 那麼你試圖分離的聚合物會膨脹, 溶解或失去分離性能. 我們希望將非烴類組分如氟引入到聚合物中, 以便使膜與烴基混合物更好地相互作用. '
史密斯也正在嘗試向聚合物添加MOFs(金屬有機骨架化合物). 通過將金屬離子或金屬團簇與有機連接體連接在一起形成的MOFs不僅可以解決碳氫化合物問題, 而且還可以解決熵紊亂問題.
'MOFs材料讓你形成一個, 兩個, 或是永久多孔的三維晶體結構. ' 史密斯說. '一茶匙MOFs有一個足球場的內表面積那麼大, 所以你可以考慮功能化MOFs的內表面來選擇性地結合或拒絕某些分子, 也可以定義孔的形狀和幾何形狀以允許一個分子通過而另一個被拒絕. '
與聚合物不同, MOFs結構通常不會改變形狀, 所以隨著時間的推移, 孔洞維持的更持久. 另外Smith說: '它們不像某些聚合物那樣通過老化過程降解. 我們面臨的挑戰是如何將晶體材料納入可以製成薄膜的工藝中, 我們正在採取的一種方法是將MOFs作為納米顆粒分散到聚合物中, 這樣可以讓你在保持MOFs的同時, 充分利用MOFs的效率和生產率. '
引入MOFs增強聚合物膜的一個潛在優勢是工藝強化: 在一個步驟中捆綁不同的分離或催化過程以實現更高的效率. 史密斯說: '你可以考慮合并一種能夠分離混合氣體並允許混合物同時進行催化反應的MOFs材料. 一些MOFs也可以作為交聯劑, 而不是使用直接交聯在一起的聚合物. 你可以在分散於聚合物基質中的MOFs顆粒之間建立聯繫, 這將為分離創造更多的穩定性. '
由於其多孔性質, MOFs有可能被用於 '捕獲氫氣, 甲烷, 甚至在某些情況下可以用來捕捉二氧化碳. ' 史密斯說. '如果製造出正確類型的海綿狀結構, 可以獲得很高的吸收率. 然而, 找到能夠以非常高的容量有選擇性地粘合這些組件之一的材料是一個挑戰. '
類似的MOFs應用是將儲存氫氣或天然氣給汽車加油. 史密斯說: '在燃料箱中使用多孔材料可以讓你容納更多的氫氣或甲烷.
史密斯警告說道, MOFs研究可能需要數十年才能取得成果. 然而他的實驗室聚合物研究還有很長的路要走, 預計未來五到十年內將會有商業解決方案.
他說: '這項研究可能是一個真正的遊戲改變者. '