先进的气体膜材料设计,减少工业碳排放

碳捕获膜

橡树岭国家实验室和田纳西大学诺克斯维尔田纳西大学的研究人员展示了可负担得起的燃气膜的新型制造方法,可从工业排放中除去二氧化碳。信贷:珍珠杨/田纳西大学

美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)和田纳西大学诺克斯维尔分校(University of Tennessee, Knoxville)的研究人员正在开发气体膜材料,以扩大减少工业碳排放的实用技术选择。

出版的结果化学展示膜材料的制造方法,其可以克服选择性和渗透率的电流瓶颈,驱动真实环境中的碳捕获性能的关键变量。

他说:“通常会有一个折衷问题,那就是制造过滤二氧化碳而不让其他气体通过的薄膜的选择性或渗透性如何。理想的方案是创造具有高渗透性和高选择性的材料,”德克萨斯大学化学系的Zhenzhen Yang说。yabovip2021

气体膜是一种有希望但仍在发展中的技术,用于减少燃烧后或化石燃料工业产生的烟气排放。

该概念简单:薄,多孔膜用作废气混合物的过滤器,选择性地允许二氧化碳,或CO2,自由流入一个减压的收集器,但阻止氧气、氮气和其他气体跟随。

不像现有的化学方法捕捉一氧化碳2从工业过程来看,膜易于安装,可以在无人看管的情况下长时间操作,无需额外步骤或增加能源成本。问题是需要新的、具有成本效益的材料来扩大这项技术的商业应用。

ORNL化学科学部的Ilja Popovs说:“气体膜的一边需要压力,另一边通常需要真空来保持自由流动的环境,这就是为什么材料的选择性和渗透性对技术的发展如此重要。”“性能不佳的材料需要更多的能量来推动气体通过系统,所以先进的材料是保持能源成本低的关键。”

没有自然的,只有少数合成材料已经超过了所谓的罗伯森上限,这是一个已知的边界,限制在这些速率开始下降之前可以是选择性和可渗透的大多数材料。

具有足够高的选择性和用于有效气体分离的渗透性的材料是罕见的,并且通常由昂贵的起始材料制成,其生产需要长而乏味的合成或昂贵的过渡金属催化剂。

“我们开始测试一种假设,将氟原子引入膜材料可以提高碳捕获和分离性能,”杨说。

元素氟,用于制造特氟隆和牙膏等消费品,提供二氧化碳 - 素质,使其对碳捕获应用具有吸引力。它也广泛使用,使其成为低成本制造方法的相对实惠的选择。氟化煤气膜的研究受到限制,因为将氟掺入材料以实现其炭密功能的根本挑战。

“我们的第一步是使用简单的化学方法和可商购的原料创造一种独特的氟基聚合物,”杨说。

接下来,研究人员转化或碳化,使用热量的材料使其成为捕获CO的多孔结构和功能2。两步法保留了含氟基团并促进了CO2最终材料的选择性,克服了在其他合成方法中遇到的一个基本障碍。

“该方法产生了一种亲二氧化碳材料,具有高比表面积和超微孔,在高温操作条件下是稳定的,”杨说。“所有这些因素使它成为一种很有前途的碳捕获和分离膜的候选材料。”

该材料的新颖设计有助于其特殊的性能,观察到高选择性和超出罗伯森上限的渗透率,只有少数材料已经完成。

“我们的成功是一种物质成就,证明了在未来膜材料中利用氟的可行途径。此外,我们使用市售价格低廉的起始材料实现了这一目标,“波波夫说。

这一基本发现拓展了碳捕获膜有限的实用选项库,并为开发具有其他特定任务功能的氟化膜开辟了新方向。

研究人员旨在接下来研究氟化膜吸收和运输的机制2,一个基本步骤,将以有目的量身定制的材料,可以为更好的碳捕获系统设计提供更好的碳捕获系统2排放。

刊物文章为“超过罗伯森上限2/ N2用氟化碳分子筛膜分离。”

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参考:“超过Robeson上限的CO2/ N2用氟碳分子筛膜分离“由Zhenzhen Yang,Wei Guo,Shannon Mark Mahurin,Song Wang,Hao Chen,Long Chen,Kecheng Jie,Harry M. Meyer III,De-En江,公平刘,万琴金,伊拉哈波夫和盛戴,1920年1月16日,化学
DOI: 10.1016 / j.chempr.2019.12.006

该研究得到了DOE科学办公室的支持。

第一个发表评论浅析“旨在减少工业碳排放的先进燃气膜材料”

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