Ученые из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новую полимерную мембрану, которая способна удалять углекислый газ из природного газа намного быстрее, чем обычные материалы. При этом они не требует использования токсичных растворителей, сообщается на сайте института.
В последние годы природный газ и биогаз становятся все более популярными источниками энергии во всем мире благодаря их более чистому и более эффективному процессу сгорания по сравнению с углем и нефтью. Однако присутствие в газе загрязняющих веществ, таких как углекислый газ, означает, что его необходимо сначала очистить, прежде чем его можно будет сжигать в качестве топлива.
Обычно процесс очистки природного газа чрезвычайно энергоемкий. Плюс ко всему, для него используют токсичные растворители. Поэтому исследователи пытаются найти новый способ очистки газа, который удаляет вредные примеси более рентабельным и экологически безопасным способом. Мембрана, созданная учеными из MIT, дает такую возможность.
Существующие мембраны, как правило, изготавливаются с использованием линейных нитей полимера. Это полимеры с длинной цепью, которые на молекулярном уровне выглядят как сваренная лапша спагетти, приводит сравнение руководитель исследования, Джозеф Р. Марес. «Вы можете сделать эту приготовленную лапшу более жесткой, и при этом вы создадите промежутки между лапшой, которые изменят структуру упаковки и расстояние, через которое могут проникать молекулы», - продолжает исследователь.
Однако такие материалы недостаточно пористы, чтобы позволить молекулам диоксида углерода проникать сквозь них достаточно быстро, чтобы конкурировать с существующими процессами очистки.
Вместо использования длинных цепей полимеров, исследователи MIT разработали мембраны, в которых пряди похожи на расчески, с крошечными щетинками на каждой пряди. Эти щетинки позволяют полимерам более эффективно разделять газы. Пропускная способность мембраны из таких полимеров в 2000-7000 раз больше, чем у традиционной мембраны.
В экспериментах новое приспособление было способно противостоять давлению подачи углекислого газа до 51-го бар, не подвергаясь пластической деформации, сообщают исследователи. Это соответствует примерно 34-м бар для лучших материалов, из которых обычно делают мембраны. Кроме того, производительность материала можно настроить, сделав очень тонкие изменения в боковых цепях или «щетках», которые разработчики предварительно проектируют.
Более того, исследователи обнаружили, что их полимеры-«расчески» лучше способны противостоять условиям, которые могут вывести из строя другие мембраны. В существующих мембранах длинные цепи полимерных нитей перекрывают друг друга, слипаясь, образуя твердые пленки. Но со временем нити полимеров начинают скользить друг по другу, расшатывая физические и химические связи.
В новой мембранной конструкции, напротив, полимерные щетинки соединены между собой длинной цепью, которая выступает в качестве основы. В результате отдельные щетинки не могут двигаться, создавая более стабильный материал мембраны. Эта стабильность придает материалу устойчивость к процессу, известному как пластическая деформация, при котором полимеры набухают в присутствии агрессивного сырья, такого как диоксид углерода.
Подробное описание разработки дано в журнале Advanced Materials.
[Фото: Chelsea Turner, MIT]
