Многие из перспективных технологий, которые в настоящее время разрабатываются, могут снизить потребление энергии или получить углерод в таких областях, как биотехнология, информатика, нанотехнология, материаловедение и т. Д. Хотя не все это окажется жизнеспособным, только небольшая сумма финансирования С обучением многие люди могут помочь решить большие проблемы этой планеты.
Одним из таких решений является новый подход к промышленному разделению в Массачусетском технологическом институте, факультет химической инженерии, где профессор Захари Смит работает над новой полимерной мембраной, которая может значительно снизить потребление энергии в химических отделениях. Он также проводит дальнейшие исследования для улучшения характеристик полимерных пленок в наномасштабированных металлоорганических каркасах (МОФ).
Джозеф Р. Марес (1924) Захари Смит, адъюнкт-профессор по развитию карьеры в химической промышленности. Источник: Дэвид Селла
«Мы не только составляем и анализируем материалы из основ транспорта, термодинамики и реактивности, но мы начинаем применять эти знания для создания моделей и разработки новых материалов, которые никогда ранее не были доступны», - сказал Смит. «Увлекательно думать об этом от лаборатории до массового производства и его влияния на общество».
Смит часто общается с отраслевыми экспертами с пониманием технологий разделения, и до сих пор соглашение оставалось юридически обязательным, несмотря на вывод Соединенных Штатов из Парижского климатического соглашения 2015 года. Химическая и нефтехимическая промышленность, которая в первую очередь касается Смита, начинает ощущать давление сокращения выбросов. Отдельные отопительные и охлаждающие башни требуют значительных затрат энергии и их дорогостоящие конструкции и обслуживания, поэтому отрасль также ищет способы снижения затрат.
Смит сказал, что промышленные процессы в химической и нефтехимической промышленности потребляют от одной четверти до одной трети от общей энергии США, в то время как промышленное разделение составляет половину этого. Около половины энергии, используемой для разделения, происходит от выпрямления, что Процесс требует особого тепла, как в случае криогенной дистилляции, так и даже более энергоемкого экстремального охлаждения.
«Требуется много энергии для кипячения и повторного использования смеси, и это менее эффективно, потому что для этого требуются фазовые переходы», - сказал Смит. «Методы разделения мембран могут избежать этих фазовых переходов и использовать меньше энергии. Дефектные, вы можете нанести их на выборочные пленки толщиной 100 нм, которые покрывают футбольное поле.
Тем не менее, по-прежнему существует множество трудностей. Разделение мембран используется только для небольшой части процесса разделения промышленного газа, поскольку полимерные мембраны часто неэффективны и не могут сравниться с характеристиками перегонки, - сказал Смит. «Текущие мембраны не обеспечивают достаточного производства Суммы (называемые флюсами) используются для приложений с большим объемом, а их химические и физические свойства нестабильны при использовании более агрессивных потоков сырья.
Большинство из этих проблем производительности связаны с явлениями, которые полимер имеет тенденцию быть аморфными или энтропийными. «Полимеры легко обрабатываются для формирования полезных геометрий, но расстояние, через которое молекулы могут перемещаться сквозь полимерную пленку, изменяется со временем». Смит Сказал: «Трудно контролировать свободный объем внутри пористого состояния».
Чтобы справиться с этой задачей, Smith Laboratory пытается добавить наномасштабы и химию к полимерам для достижения более мелкозернистых разделов, что является самым требовательным дополнительным размером разделения лишь доли молекул, сказал Смит, Новые материалы могут «поглощать» одну молекулу и отвергать другую ».
Стремясь создать полимерные мембраны с более высокой пропускной способностью и более высокой селективностью, команда Смита теперь реконструирует новые упорядоченные структуры с полимерными шаблонами, разработанные в лабораториях Массачусетского технологического института, в традиционно неупорядоченные аморфные полимеры, Объяснил: «Затем мы использовали наноразмерный карман для постсинтеза, чтобы создать диффузионный путь».
Несмотря на многие технические успехи Smith Laboratories, пропускная способность, необходимая для применения в больших объемах, остается проблемой, что усложняет проблему, поскольку химическая и нефтехимическая промышленность использует более 200 различных типов процессов дистилляционного разделения Тем не менее, это также преимущество, что при внедрении новых технологий исследователи могут искать ниши вместо того, чтобы пытаться изменить отрасль на ночь.
«Мы ищем самые влиятельные цели, - сказал Смит, - наши тонкопленочные технологии охватывают небольшую область, поэтому вы можете использовать их в отдаленных районах или на морских платформах».
Пленки использовались для отделения азота от воздуха из-за небольшого размера и малой массы пленки, а затем азот использовался для смазки топливного бака, чтобы избежать разрыва. В удаленных скважинах из природного газа мембраны также используются для удаления двуокиси углерода и были использованы в некоторых Отличные нефтехимические приложения (например, удаление водорода) находят правильное место.
Целью Смита является расширение оборудования криогенной дистилляционной колонны, которое требует огромной энергии для экстремального охлаждения в нефтехимической промышленности, в том числе разделения этилена - этана, азота - метана и воздуха. Многие пластмассовые потребительские товары изготовлены из этилена В результате снижение стоимости энергии в производственном процессе может принести огромные выгоды.
«Криогенной дистилляцией вы не только хотите отделить молекулы одинакового размера и аналогичные термодинамические свойства, - сказал Смит: - Рельефные башни могут достигать 200 или 300 футов в высоту с очень высокими скоростями потока, поэтому разделение может стоить целых миллиарды долларов, чтобы сохранить вакуум И энергия, необходимая для работы системы при -120 градусов Цельсия, огромна.
Другие потенциальные применения полимерных мембран включают поиск других способов удаления двуокиси углерода из азота или метана или для разделения различных типов парафина или химического сырья, сказал Смит.
Улавливание и хранение углерода также является потенциальной областью применения, он сказал: «Если сегодняшние экономические стимулы для улавливания углекислого газа, то улавливание углерода будет умножено на максимум в 10 раз больше мембраны. Мы можем изготовить губчатый материал, который поглощает углекислый газ , И эффективно разделить его, чтобы создать давление и сохранить его под землей.
Одна из проблем при использовании полимерных мембран при разделении газа заключается в том, что полимер обычно изготавливают из углеводородов. Смит сказал: «Если ваш полимер содержит углеводородные компоненты того же типа, то полимер, который вы пытаетесь отделить, Набухание, растворение или потеря сепарации. Мы хотели бы внедрить в углеводород неорганические компоненты, такие как фтор, чтобы мембрана лучше взаимодействовала с смесью на основе углеводородов ».
Смит также пытается добавить МОФ (металлоорганические каркасные соединения) в полимер. МОФ, образованные путем соединения ионов металлов или металлических кластеров с органическими линками, не только решают проблему углеводородов, но и решают проблему энтропийного расстройства.
«Материалы MOF позволяют создавать одну, две или постоянно пористые трехмерные кристаллические структуры», - сказал Смит. «Чайная ложка MOFs имеет футбольное поле с такой большой внутренней площадью поверхности, что вы можете выбрать внутреннюю поверхность функционализированных MOF Взаимозаменяющие или отверждающие определенные молекулы, также можно определить форму и геометрию пор, чтобы одна молекула могла пройти, а другая - отвергнута.
В отличие от полимеров, структуры MOF обычно не меняют форму, поэтому пустоты остаются более постоянными с течением времени, и Смит сказал: «Они не деградируют в процессе старения, как это делают некоторые полимеры. Один из способов, которыми мы работаем для включения кристаллических материалов в пленки, которые могут быть сделаны в пленках, заключается в диспергировании MOF в полимере в виде наночастиц, что позволяет вам в полной мере использовать эффективность и производительность MOF при сохранении MOF ».
Одним из потенциальных преимуществ включения MOF для улучшения полимерных мембран является улучшение процесса: объединение разных процессов разделения или катализа на одном этапе для достижения более высокой эффективности. Смит сказал: «Вы можете рассмотреть возможность объединения процесса, который разделяет газовую смесь и позволяет смеси одновременно MOF для каталитических реакций Некоторые MOF могут также действовать в качестве сшивающих агентов вместо использования полимеров, которые непосредственно сшиты друг с другом. Вы можете создать соединение между частицами MOF, диспергированными в полимерной матрице, которые создадут разделение Больше стабильности.
Из-за их пористой природы MOF могут потенциально использоваться для «захвата водорода, метана и даже двуокиси углерода в некоторых случаях», - говорит Смит. «Высокое поглощение может быть достигнуто, если будет создан правильный тип губчатой структуры Однако найти материал, который может избирательно связать один из этих компонентов с очень высокой пропускной способностью, является проблемой.
Аналогичное приложение MOF подает на автомобили водород или природный газ, Смит сказал: «Использование пористых материалов в топливном баке позволяет удерживать больше водорода или метана.
Смит предупреждает, что исследования MOF могут занять десятилетия, чтобы дать результаты, но еще предстоит пройти долгий путь в его лабораторных исследованиях в области полимеров и, как ожидается, будет иметь деловое решение в ближайшие пять-десять лет.
Он сказал: «Это исследование может стать настоящим сменой игры».