현재 개발중인 많은 유망한 기술은 생명 공학, 컴퓨터 과학, 나노 기술, 재료 과학 등의 분야에서 에너지 소비를 줄이거 나 탄소를 배출 할 수 있습니다. 모든 것이 실용적이지는 않지만, 소량의 자금 교육을 통해 많은 사람들이이 행성의 커다란 도전 과제를 해결할 수 있습니다.
이러한 해결책 중 하나는 매사추세츠 공과 대학교 화학 공학과의 산업 분리에 대한 새로운 접근법에서 나오고 있습니다. Zachary Smith 교수는 화학 분리에서 에너지 사용을 크게 줄이는 새로운 고분자 막을 연구하고 있습니다. 그는 또한 나노 금속 유기물 골격 (MOFs)에서 고분자 필름의 성능을 향상시키기위한 연구를 계속하고있다.
Joseph R Mares (1924) Zachary Smith, 화학 공학 경력 개발 부교수 출처 : David Sella
"우리는 교통, 열역학 및 반응의 기본 요소를 만들고 분석 할뿐만 아니라이 지식을 적용하여 모델을 만들고 이전에 사용할 수 없었던 새로운 소재를 디자인하기 시작합니다."라고 Smith는 말했습니다. 연구실에서 대량 생산과 사회에 미치는 영향에 대해 생각하는 것은 흥미로운 일입니다. "
스미스는 종종 분리 기술에 대한 업계 전문가와 아이디어를 교환. 2015 년 파리 기후 협약에서 미국의 철수하지만, 지금까지 본 계약이 유효하지만. 스미스는 화학 및 석유 화학 산업에 초점을 맞춘 배출량을 줄이기 위해 압력을 느끼기 시작했다. 사용 별도의 난방 및 냉각 타워는 상당한 에너지, 건설 및 유지 보수를 필요에 가오 중앙 비용 때문에 기업은 비용을 절감 할 수있는 방법을 찾고 있습니다.
스미스 대변인은 화학 및 석유 화학 산업의 산업 프로세스는 미국 전체 에너지의 1/4 내지 1/3을 소비하는 반면 산업 분리는 소비되는 에너지의 절반을 차지하고 분리에 사용되는 에너지의 약 절반은 정류에서 비롯된 것이라고 Smith는 말했다. 극저온 증류의 경우 또는 에너지 집약적 인 극한의 냉각시에도 극한의 열이 필요합니다.
스미스는 멤브레인 분리 기술은 이러한 상전이를 피하고 에너지를 적게 소비 할 수 있다고 말했다. 결함이 있으면 축구장을 덮을 수있는 100 nm 두께의 선택적 필름으로 그들을 캐스팅 할 수 있습니다.
그러나 멤브레인 분리는 고분자막이 종종 비효율적이어서 증류 성능에 맞지 않기 때문에 산업용 가스 분리 공정의 작은 부분에만 사용됩니다 "라고 스미스 대변인은 말했다."현재 멤브레인은 적절한 생산을 제공하지 못합니다 이 양 (플럭스라고 함)은 대량 생산에 사용되며보다 적극적인 공급 원료를 사용하면 화학적 및 물리적 특성이 안정적이지 않습니다.
이러한 성능 문제의 대부분은 폴리머가 비정질 또는 엔트로피 현상을 일으키는 경향이 있기 때문에 발생합니다. "폴리머는 유용한 형상을 형성하기 위해 가공하기 쉽지만 분자가 폴리머 필름을 통과 할 수있는 거리는 시간이 지남에 따라 변합니다."Smith "다공성 상태에서 자유 체적을 조절하는 것은 어렵다."
이러한 어려움을 극복하기 위해 스미스 연구소 (Smith Laboratory)는 나노 스케일의 특성과 화학을 폴리머에 추가하여 분자의 단 몇 분만에 가장 까다로운 선택적인 분리 치수 인 미세 입자 분리를 달성하려고 노력하고 있다고 스미스는 말했다. 새로운 물질은 한 분자를 흡수하고 다른 분자는 거부 할 수 있습니다.
스미스 (Smith) 연구팀은보다 높은 처리량과 높은 선택성을 가진 고분자 막을 만들기 위해 MIT 연구소에서 개발 된 새로운 폴리머 - 템플리트 주문 구조를 전통적으로 무질서의 무정형 폴리머로 재구성하고있다. "그런 다음 확산 경로를 만들기 위해 합성 후 나노 크기의 포켓을 사용했습니다."
Smith Laboratories의 많은 기술적 성공에도 불구하고 대량 생산에 필요한 처리량은 여전히 과제로 남아 있습니다. 화학 및 석유 화학 산업에서 200 가지 이상의 서로 다른 유형의 증류 분리 공정을 사용하므로 문제가 복잡합니다. 그러나 신기술을 도입 할 때 연구자는 하룻밤 사이에 업계를 변화시키지 않고 틈새를 찾을 수 있다는 이점도 있습니다.
스미스 회장은 "우리의 가장 큰 영향력있는 목표물을 찾고있다"며 "우리의 박막 기술은 소규모 지역을 대상으로하므로 원격 지역이나 해양 플랫폼에서 사용할 수있다"고 말했다.
필름이 작기 때문에, 경량, 이는 공기로부터 질소 항공기 막 분리에 사용되어왔다. 원격 천연 가스 우물에서 분출 방지하기 위해 질소 후 코팅 탱크를 이용하고, 상기 멤브레인은 이산화탄소를 제거하기 위해 사용되며, 더의 일부를 갖는다 대형 석유 화학 애플리케이션 (예를 들면, 수소 분리)가 적절한 위치를 찾는.
에탄, 질소 - - 메탄과 공기의 분리 에틸렌 많은 플라스틱 소비재있는 스미스의 목표는 에틸렌을 포함한 석유 화학 산업의 극단적 인 냉각을 생산하기 위해 엄청난 에너지를 필요로 극저온 증류 칼럼까지 장비로 확장하는 것입니다 따라서 큰 혜택을 가져올 수있는 제조 공정에서 에너지 비용을 절감로.
스미스 극저온 증류에 의해뿐만 아니라, 유사한 크기와 유사한 분자의 열역학적 성질 분리 '를 상기'증류탑 높이 200 300 피트 도달 할 수 유량이 매우 높기 때문에 분리 선정 된 진공을 유지하기 위해, 수십억 달러를 도달 할 섭씨 -120도에서 시스템 작동에 필요한 에너지는 엄청납니다.
고분자 멤브레인에 대한 다른 잠재적 응용은 질소 또는 메탄으로부터 이산화탄소를 제거하는 다른 방법을 찾거나 다른 유형의 파라핀 또는 화학 원료를 분리하는 것을 포함한다고 스미스 대변인은 말했다.
그는 "오늘날의 이산화탄소 포집에 대한 경제 동인이 있다면 탄소 포획에 막의 최대 10 배를 곱하게 될 것입니다. 우리는 이산화탄소를 흡수하는 스폰지 같은 물질을 만들 수 있습니다 , 그리고 그것을 효과적으로 가압하고 지하에 저장하기 위해 그것을 분리합니다.
스팀은 가스 분리에서 폴리머 멤브레인을 사용할 때 한 가지 어려움은 보통 폴리머가 탄화수소로 만들어져 있다는 것입니다. 스미스 (Smith)는 다음과 같이 말했습니다. '폴리머에 동일한 유형의 탄화수소 성분이 들어 있으면 분리하려는 폴리머는 팽창, 용해 또는 분열을 줄입니다. 우리는 막이 탄화수소 기반 혼합물과 더 잘 상호 작용할 수 있도록 중합체에 불소와 같은 비 탄화수소 성분을 도입하고자합니다. "
금속 이온 또는 금속 클러스터 만이 문제를 해결할 수없는 탄화수소를 형성하도록 함께 접속 된 유기 링커의 MOFs 의해. 중합체에 스미스의 MOFs (금속 유기 골격 화합물)를 추가하려고하지만 엔트로피 장애의 문제를 해결할 수있다.
'은 사용자가 MOFs는 재료가 영구적 다공성 1, 2 또는 3 차원 결정 구조가 형성되어 있는지. "스미스 말한다. 크지 축구장'티스푼 MOFs는 내부 표면적 선택한 MOFs는 내면의 기능을 고려할 수있다 의 결합 또는 분자가 다른 거부 할 수 있도록 구멍의 모양 및 형상을 정의 할 수있다, 특정 분자를 거부한다. '
폴리머와 달리 MOF 구조는 일반적으로 모양이 바뀌지 않으므로 공극은 시간이 지남에 따라 더 영구적으로 유지됩니다. 스미스 (Smith)는 다음과 같이 말했습니다. "일부 폴리머가 그렇듯이 노화 과정을 거치면서 열화되지 않습니다. 결정 성 물질을 필름으로 만들 수있는 방법 중 하나는 MOF를 나노 입자로 폴리머에 분산시켜 MOF를 유지하면서 MOF의 효율성과 생산성을 최대한 활용할 수있게하는 것입니다. "
폴리머 필름을 향상시키기 위해 MOF를 통합 할 때 얻을 수있는 장점 중 하나는 프로세스 강화입니다. 즉, 서로 다른 분리 또는 촉매 반응 공정을 하나로 묶어 효율을 높일 수 있다는 것입니다. 스미스는 '가스 혼합물을 분리하는 공정과 동시에 촉매 반응을위한 MOF 일부 MOF는 직접 가교 결합 된 고분자를 사용하지 않고 가교 결합제 역할을 할 수 있습니다. 고분자 매트릭스에 분산 된 MOF 입자간에 연결을 생성하여 분리를 생성 할 수 있습니다 더 많은 안정성.
Smith는 "다공성으로 인해 MOF는 잠재적으로 수소, 메탄 및 심지어 이산화탄소를 포집하는 데 사용될 수 있습니다"라고 스미스는 말합니다. "올바른 유형의 스폰지와 같은 구조가 만들어진다면 높은 흡착력을 얻을 수 있습니다 그러나 매우 높은 용량으로 이들 구성 요소 중 하나를 선택적으로 결합 할 수있는 재료를 찾는 것이 하나의 과제입니다.
스미스는 비슷한 MOF 애플리케이션이 수소 또는 천연 가스를 자동차에 연료로 공급한다고 Smith는 말했다 : "연료 탱크에 다공성 물질을 사용하면 더 많은 수소 또는 메탄을 보유 할 수 있습니다.
Smith는 MOFs 연구가 결과를 내기까지 수십 년이 걸릴 수 있다고 경고하지만 실험실의 고분자 연구에 갈 길이 멀고 향후 5 년에서 10 년 내에 비즈니스 솔루션을 가질 것으로 기대됩니다.
그는 "이 연구는 진정한 게임 체인저가 될 것"이라고 말했다.