ساخت نانوفیلتر‌هایی برای جداسازی گاز‌هایی نظیر هیدروژن و CO ۲

 

دیوید چندلر در MIT توضیح می‌دهد که چگونه این فناوری می‌تواند جایگزین روش‌های قدیمی برای جداسازی مولکول‌های گازی شود که از دما‌های بالا و انرژی بر برای جوشاندن مجدد محلول‌ها استفاده می‌کنند. در مقایسه، فیلتر‌های جدید، حاوی پلیمر‌های “نردبان هیدروکربنی”، در جداسازی بسیار بهتر هستند در حالی که از یک دهم انرژی استفاده می‌کنند. غشا‌های غربال مانند را می‌توان برای فیلتر کردن مولکول‌های مختلف بر اساس اندازه تنظیم کرد، بنابراین کاربرد‌ها فراتر از حوزه‌های انرژی و آب و هوا بوده و طیف گسترده‌ای از فرآیند‌های صنعتی، شیمیایی و پزشکی را در بر می‌گیرد. به گفته محققان، این پلیمر‌ها قوی، انعطاف پذیر و در حلال‌های خاصی محلول هستند، بنابراین باید در عرض چند سال برای استفاده صنعتی مقیاس‌پذیر باشند.

 

فرآیند‌های صنعتی برای جداسازی شیمیایی، از جمله تصفیه گاز طبیعی و تولید اکسیژن و نیتروژن برای مصارف پزشکی یا صنعتی، مجموعاً مسئول حدود ۱۵ درصد مصرف انرژی در جهان هستند. اکنون، محققان MIT و دانشگاه استنفورد نوع جدیدی از غشا را برای انجام این فرآیند‌های جداسازی با تقریباً ۱/۱۰ مصرف انرژی و انتشار گاز گلخانه‌ای تولید کرده‌اند.

 

استفاده از غشا‌ها برای جداسازی مواد شیمیایی بسیار کارآمدتر از فرآیند‌هایی مانند تقطیر یا جذب است، اما همیشه بین نفوذپذیری (سرعت نفوذ گاز‌ها از طریق مواد) و گزینش‌پذیری تعادل وجود داشته است. به گفته محققان، این خانواده جدید مواد غشایی، مبتنی بر پلیمر‌های «نردبان هیدروکربنی»، بر این مشکل غلبه کرده و هم نفوذپذیری بالا و هم گزینش بسیار خوبی را ارائه می‌کند.

 

جداسازی گاز یک فرآیند صنعتی مهم و گسترده است که کاربرد‌های آن شامل حذف ناخالصی‌ها و ترکیبات نامطلوب از گاز طبیعی یا بیوگاز، جداسازی اکسیژن و نیتروژن از هوا برای مصارف پزشکی و صنعتی، جداسازی دی اکسید کربن از سایر گاز‌ها برای جذب کربن و تولید هیدروژن برای استفاده است.

 

غشا‌های پلیمری نردبانی جدید نویدبخش بهبود چشمگیر عملکرد چنین فرآیند‌های جداسازی هستند. برای مثال، با جداسازی دی اکسید کربن از متان، این غشا‌های جدید پنج برابر گزینش‌پذیری و ۱۰۰ برابر نفوذپذیری بیشتر خواهند داشت. به طور مشابه، آن‌ها ۱۰۰ برابر نفوذپذیرتر و سه برابر گزینش‌پذیرتر برای جداسازی گاز هیدروژن از متان هستند.

 

نوع جدیدی از پلیمر‌ها که طی چندین سال اخیر توسط آزمایشگاه شیا توسعه یافته است، به عنوان پلیمر‌های نردبانی شناخته می‌شوند، زیرا از رشته‌های دوتایی که توسط پیوند‌های پله مانند به هم متصل شده‌اند تشکیل شده‌اند و این پیوند‌ها درجه بالایی از سفتی و پایداری را برای دستگاه فراهم می‌کند. مواد پلیمری این پلیمر‌های نردبانی از طریق شیمی کارآمد و انتخابی که آزمایشگاه شیا به نام CANAL توسعه داده است، سنتز می‌شوند.

 

با استفاده از فرآیند‌های ریخته‌گری پلیمری موجود در صنعت، مواد اولیه به ورقه‌ای نازک با منافذ در مقیاس نانومتری تبدیل می‌شود. اندازه منافذ حاصل را می‌توان از طریق انتخاب ترکیبات اولیه هیدروکربنی خاص تنظیم کرد.

 

شیا می‌گوید: «این ترکیب شیمیایی و انتخاب بلوک‌های ساختمانی شیمیایی به ما امکان ساخت پلیمر‌های نردبانی بسیار سفت و سخت با پیکربندی‌های مختلف را داده است.»