Sử dụng màng polyme để làm sạch các phân tách công nghiệp

Anonim

Có những công nghệ đầy hứa hẹn đang được phát triển có thể giảm tiêu thụ năng lượng hoặc thu giữ carbon trong các lĩnh vực bao gồm công nghệ sinh học, khoa học máy tính, công nghệ nano, khoa học vật liệu và hơn thế nữa. Không phải tất cả sẽ chứng minh khả thi, nhưng với một chút tài trợ và nuôi dưỡng, nhiều người có thể giúp giải quyết thách thức lớn của hành tinh này.

Một giải pháp như vậy đang nổi lên từ các phương pháp tiếp cận mới đến các quy trình tách công nghiệp. Tại Khoa Kỹ thuật Hóa học của MIT, Giáo sư Zachary Smith đang nghiên cứu các màng polymer mới có thể làm giảm đáng kể việc sử dụng năng lượng trong phân tách hóa học. Ông cũng tiến hành nghiên cứu phạm vi dài hơn để tăng cường màng polyme với khung kim loại hữu cơ nano (MOFs).

Smith nói: “Chúng tôi không chỉ tạo ra và phân tích các nguyên liệu từ nguyên tắc cơ bản về vận chuyển, nhiệt động lực học và phản ứng, mà chúng tôi bắt đầu có kiến ​​thức đó để tạo ra các mô hình và thiết kế các vật liệu mới với hiệu suất tách biệt chưa từng đạt được. "Thật thú vị khi đi từ quy mô phòng thí nghiệm để suy nghĩ về quá trình lớn, và điều gì sẽ tạo ra sự khác biệt trong xã hội."

Smith thường tư vấn với các chuyên gia trong ngành, những người chia sẻ những hiểu biết về công nghệ tách biệt. Với thỏa thuận khí hậu Paris năm 2015 cho đến nay đang nắm giữ với nhau, bất chấp sự rút lui của Mỹ, các ngành hóa chất và hóa dầu nơi Smith chủ yếu tập trung đang bắt đầu cảm thấy áp lực để giảm lượng khí thải. Ngành công nghiệp cũng đang tìm cách giảm chi phí. Các tháp sưởi ấm và làm mát được sử dụng để tách đòi hỏi năng lượng đáng kể, và rất tốn kém để xây dựng và duy trì.

Các quy trình công nghiệp được sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất và hóa dầu một mình tiêu thụ từ một phần tư đến một phần ba tổng năng lượng ở Mỹ, và phân tách chiếm khoảng một nửa trong số đó, Smith nói. Khoảng một nửa mức tiêu thụ năng lượng từ sự phân tách đến từ chưng cất, một quá trình đòi hỏi nhiệt độ cực cao, hoặc trong trường hợp chưng cất đông lạnh, thậm chí còn làm mát cực kỳ nhiều năng lượng.

"Nó đòi hỏi rất nhiều năng lượng để đun sôi và trộn lẫn hỗn hợp, và nó thậm chí còn kém hiệu quả hơn vì nó đòi hỏi những thay đổi pha", Smith nói. "Công nghệ tách màng có thể tránh những thay đổi pha và sử dụng ít năng lượng hơn. Các polyme có thể được tạo ra không có khiếm khuyết, và bạn có thể đúc chúng thành các màng mỏng dày 100nm có chọn lọc có thể bao phủ một sân bóng đá."

Tuy nhiên, nhiều rào cản cản trở. Việc tách màng được sử dụng chỉ trong một phần nhỏ các quy trình tách khí công nghiệp vì các màng polyme "thường không hiệu quả, và không thể phù hợp với hiệu suất chưng cất", Smith nói. "Các màng hiện tại không cung cấp đủ thông lượng - được gọi là thông lượng - cho các ứng dụng âm lượng cao và chúng thường không ổn định về mặt hóa học và vật lý khi sử dụng các dòng nguồn cấp dữ liệu tích cực hơn".

Nhiều vấn đề về hiệu suất này xuất phát từ thực tế là các polyme có xu hướng vô định hình hoặc bị rối loạn theo entropically. "Các polyme dễ dàng xử lý và hình thành các hình học hữu ích, nhưng khoảng cách mà các phân tử có thể di chuyển qua các màng polyme thay đổi theo thời gian", Smith nói. "Thật khó để kiểm soát khối lượng tự do nội bộ xốp của họ."

Sự phân tách đòi hỏi khắt khe nhất đòi hỏi kích thước có chọn lọc giữa các phân tử chỉ là một phần của một angstrom. Để giải quyết thách thức này, Phòng thí nghiệm Smith đang cố gắng thêm các tính năng nano và chức năng hóa học cho các polyme để đạt được sự phân tách hạt mịn hơn. Các vật liệu mới có thể "hấp thụ một loại phân tử và loại bỏ một phân tử khác", Smith nói.

Để tạo ra các màng polymer với thông lượng và chọn lọc cao hơn, nhóm của Smith đang sử dụng các polyme mới được phát triển tại các phòng thí nghiệm của MIT có thể được phản ứng với cấu trúc được sắp xếp theo mẫu thành các polyme vô định hình truyền thống. Như ông giải thích, "Chúng tôi sau đó tổng hợp sau xử lý chúng theo cách để tạo mẫu trong một số túi có kích thước nanomet tạo ra các con đường khuếch tán."

Trong khi Phòng thí nghiệm Smith đã tìm thấy thành công với nhiều kỹ thuật này, việc đạt được thông lượng cần thiết cho các ứng dụng có khối lượng lớn vẫn là một thách thức. Vấn đề là phức tạp bởi thực tế là có hơn 200 loại khác nhau của quá trình tách chưng cất được sử dụng bởi các ngành công nghiệp hóa chất và hóa dầu. Tuy nhiên, điều này cũng có thể là một lợi thế khi cố gắng giới thiệu một công nghệ mới - các nhà nghiên cứu có thể tìm kiếm một niche thay vì cố gắng thay đổi ngành công nghiệp qua đêm.

"Chúng tôi đang tìm kiếm các mục tiêu mà chúng tôi sẽ có tác động nhiều nhất", Smith nói. "Công nghệ màng của chúng tôi có lợi thế là cung cấp một dấu chân nhỏ hơn nhiều, vì vậy bạn có thể sử dụng chúng ở những nơi xa xôi hoặc trên các giàn khoan dầu ngoài khơi."

Do kích thước và trọng lượng nhỏ của chúng, màng đã được sử dụng trên máy bay để tách nitơ ra khỏi không khí. Nitơ sau đó được sử dụng để bọc bình nhiên liệu để tránh các vụ nổ như một chiếc máy bay hạ xuống chuyến bay TWA 800 năm 1996. Màng cũng đã được sử dụng để loại bỏ carbon dioxide tại các giếng khí tự nhiên từ xa. các ứng dụng như loại bỏ hydro.

Smith nhắm đến việc mở rộng sang các ứng dụng thường sử dụng tháp chưng cất cryogenic, đòi hỏi năng lượng to lớn để sản xuất cực lạnh. Trong ngành công nghiệp hóa dầu, chúng bao gồm ethylene-ethane, nitơ-mêtan, và tách khí. Nhiều sản phẩm tiêu dùng bằng nhựa được làm từ ethylene, vì vậy giảm chi phí năng lượng trong chế tạo có thể tạo ra lợi ích to lớn.

"Với chưng cất cryogenic, bạn không chỉ phải phân tách các phân tử có kích thước tương tự nhau, mà còn ở các tính chất nhiệt động lực học", Smith nói. "Các cột chưng cất có thể cao 200 hoặc 300 feet với tốc độ dòng chảy rất cao, vì vậy các tàu phân tách có thể tốn tới hàng tỷ đô la. Năng lượng cần thiết để hút chân không và vận hành hệ thống ở -120 độ C là rất lớn."

Các ứng dụng tiềm năng khác cho màng polymer bao gồm "tìm ra các cách khác để loại bỏ CO2 từ nitơ hoặc mêtan hoặc tách các loại parafin khác nhau hoặc nguyên liệu hóa học", Smith nói.

Việc thu giữ và cô lập carbon cũng nằm trên radar. "Nếu có một người lái xe kinh tế để thu giữ CO2 ngày nay, việc thu giữ carbon sẽ là ứng dụng lớn nhất theo thể tích cho màng tế bào 10", ông nói. "Chúng tôi có thể tạo ra một vật liệu giống như bọt biển có thể hấp thụ CO2 và tách nó ra một cách hiệu quả để bạn có thể điều áp nó và lưu trữ nó dưới lòng đất."

Một thách thức khi sử dụng màng polyme trong phân tách khí là các polyme thường được làm bằng hydrocacbon. Smith cho biết: “Nếu bạn có cùng loại thành phần hydrocacbon trong polymer của mình mà bạn có trong dòng nguồn cấp dữ liệu mà bạn đang cố gắng tách ra, polyme có thể sưng lên hoặc hòa tan hoặc mất hiệu suất phân tách. "Chúng tôi đang tìm cách giới thiệu các thành phần không chứa hydrocacbon như flo vào polyme để màng tương tác tốt hơn với hỗn hợp gốc hydrocacbon."

Smith cũng đang thử nghiệm với việc bổ sung MOF vào polyme. MOFs, được hình thành bằng cách liên kết với nhau một ion kim loại hoặc cụm kim loại với một mối liên kết hữu cơ, có thể không chỉ giải quyết vấn đề hydrocarbon, mà còn cả vấn đề rối loạn entropic nữa.

"Các MOF cho phép bạn tạo thành một, hai, hoặc các cấu trúc tinh thể ba chiều vĩnh viễn, " Smith nói. "Một muỗng cà phê MOFs có diện tích bề mặt bên trong của một sân bóng đá, vì vậy bạn có thể suy nghĩ về chức năng hóa các bề mặt bên trong của MOF để liên kết chọn lọc hoặc loại bỏ các phân tử nhất định. trong khi người khác bị từ chối. "

Không giống như các polyme, cấu trúc MOF thường sẽ không thay đổi hình dạng, do đó các lỗ chân lông sẽ bền bỉ hơn theo thời gian. Ngoài ra, "họ không thoái hóa như một số polyme thông qua một quá trình được gọi là lão hóa", Smith nói. "Thách thức là làm thế nào để kết hợp các vật liệu tinh thể trong một quá trình mà bạn có thể làm chúng thành màng mỏng. Một cách tiếp cận mà chúng tôi đang thực hiện là phân tán các MOF thành các polyme như các hạt nano". khả năng xử lý của polyme. "

Một lợi thế tiềm năng của việc giới thiệu màng polymer tăng cường MOF là quá trình tăng cường: bó các quá trình tách hoặc xúc tác khác nhau trong một bước duy nhất để đạt được hiệu quả cao hơn. "Bạn có thể nghĩ về việc kết hợp một loại vật liệu MOF có thể tách hỗn hợp khí và cho phép hỗn hợp trải qua một phản ứng xúc tác cùng một lúc", Smith nói. Thay vì sử dụng các polyme trực tiếp liên kết chéo với nhau, bạn có thể có liên kết giữa các hạt MOF phân tán trong một ma trận polyme, mà sẽ tạo ra sự ổn định hơn cho sự tách biệt.

Do tính chất xốp của chúng, MOF có thể được sử dụng để "thu giữ hydro, mêtan, hoặc thậm chí trong một số trường hợp CO2", Smith nói. "Bạn có thể nhận được sự hấp thu rất cao nếu bạn tạo đúng loại cấu trúc giống như miếng bọt biển. Tuy nhiên, đó là một thách thức, để tìm các vật liệu gắn kết một trong những thành phần này với dung lượng rất cao."

Một ứng dụng tương tự cho MOFs sẽ được lưu trữ hydro hoặc khí tự nhiên để thúc đẩy một chiếc xe hơi. "Sử dụng một vật liệu xốp trong bình nhiên liệu của bạn sẽ cho phép bạn giữ nhiều hydro hoặc mêtan hơn", Smith nói.

Smith cảnh báo rằng nghiên cứu MOF có thể mất nhiều thập kỷ trước khi nó đạt được thành quả. Tuy nhiên, nghiên cứu polyme trong phòng thí nghiệm của ông là nhiều hơn nữa, với các giải pháp thương mại dự kiến ​​trong vòng 5 đến 10 năm tới.

"Nó có thể là một sự thay đổi trò chơi thực sự", anh nói.

menu
menu