Separacja gazów ma kluczowe znaczenie w wielu gałęziach przemysłu, ale często obejmuje procesy energochłonne, takie jak chłodzenie gazów w celu ich skroplenia, a następnie oddzielanie ich na podstawie temperatury parowania. Jednakże profesor Wei Zhang i jego zespół z Uniwersytetu Kolorado w Boulder opracowali nowy rodzaj elastycznego, zrównoważonego i energooszczędnego materiału porowatego. Materiał ten może dostosowywać wielkość porów w różnych temperaturach, aby selektywnie przepuszczać określone gazy, potencjalnie rewolucjonizując sposób rozdzielania gazów i zmniejszając całkowitą energię wymaganą w tych procesach.
Nowy porowaty materiał umożliwia wydajną, niskoenergetyczną separację gazów i może być również stosowany w przemyśle, zapewniając zrównoważoną alternatywę dla tradycyjnych metod.
Separacja gazów odgrywa kluczową rolę w wielu gałęziach przemysłu, od zastosowań medycznych, w których azot i tlen są oddzielane od powietrza, po procesy środowiskowe, takie jak wychwytywanie dwutlenku węgla, w którym dwutlenek węgla jest izolowany od innych gazów, oraz oczyszczanie gazu ziemnego poprzez usuwanie zanieczyszczeń.
Jednak oddzielanie gazów może być kosztowne i zużywać dużo energii. „Na przykład podczas oddzielania tlenu od azotu trzeba schłodzić powietrze do bardzo niskich temperatur, aż zamieni się ono w ciecz” – wyjaśnia Wei Zhang, profesor chemii i kierownik Wydziału Chemii na Uniwersytecie Colorado w Boulder. „Następnie, powoli zwiększając temperaturę, gazy odparowują „w różnych punktach, umożliwiając jednemu z nich ponowne przekształcenie się w gaz i rozdzielenie. Jest to proces kosztowny i energochłonny”.
Proces separacji gazów zależy w dużej mierze od porowatych materiałów, przez które gazy przechodzą i są oddzielane. Stanowi to również problem od dawna, ponieważ te porowate materiały są na ogół specyficzne dla typów oddzielanych gazów. Spróbuj przesłać przez niego inny rodzaj gazu, ale to nie zadziała.
Jednak w artykule opublikowanym dzisiaj w czasopiśmie Science Zhang i jego współpracownicy szczegółowo opisują nowy rodzaj porowatego materiału, który może pomieścić i oddzielić wiele różnych gazów i jest wykonany z powszechnych, łatwo dostępnych materiałów. Co więcej, materiały te łączą sztywność i elastyczność w sposób umożliwiający separację gazów na podstawie wielkości przy bardzo niskim koszcie energii.
„Staramy się ulepszać tę technologię w sposób skalowalny i zrównoważony” – mówi Zhang.
Dodaj elastyczność
Przez długi czas materiały porowate stosowane w separacji gazów były sztywne i zależne od powinowactwa – specyficznego dla rodzaju oddzielanych gazów. Twardość pozwala na dobre określenie porów i pomaga w prowadzeniu gazów do separacji, ale także ogranicza liczbę gazów, które mogą przejść przez nie ze względu na różną wielkość cząstek.
W ciągu kilku lat Zhang i jego grupa badawcza pracowali nad opracowaniem porowatego materiału, który nada elastyczność węzłom stałego porowatego materiału. Ta elastyczność umożliwia oscylację wiązań molekularnych, czyli poruszanie się tam i z powrotem ze stałą prędkością, zmieniając wielkość dostępnych porów w materiale i umożliwiając mu dostosowanie się do wielu gazów.
„Odkryliśmy, że w temperaturze pokojowej pory są stosunkowo większe, a wiązanie elastyczne prawie się nie porusza, więc większość gazów może przedostać się do wnętrza” – mówi Zhang. „Kiedy podniesiemy temperaturę z pokojowej do około 50 stopni (Celsjusz„Oscylacje wiązania stają się większe, powodując kurczenie się efektywnej objętości porów, więc większe gazy nie mogą przedostać się do wnętrza. Jeśli będziemy nadal podnosić temperaturę, więcej gazów będzie się oddalać z powodu zwiększonych oscylacji, a objętość porów będzie się dalej zmniejszać 100 stopni. Tylko najmniejszy gaz, wodór, może przejść przez pory.
Materiał opracowany przez Zhanga i jego współpracowników składa się z małych cząsteczek organicznych i jest bardzo podobny do zeolitu – rodziny porowatych, krystalicznych materiałów składających się głównie z krzemu, aluminium i tlenu. „To porowaty materiał z dużą ilością bardzo uporządkowanych porów. Można go sobie wyobrazić jak plaster miodu. Jego większość to stały materiał organiczny z porami o regularnej wielkości, które ułożone są w jednej linii i tworzą kanały” – mówi.
Naukowcy zastosowali całkiem nowy rodzaj dynamicznej chemii kowalencyjnej, która koncentruje się na wiązaniu między borem i tlenem. Używanie boru kukurydza Mając wokół siebie cztery atomy tlenu, wykorzystali odwracalność wiązania między borem i tlenem, które może wielokrotnie pękać i tworzyć się na nowo, umożliwiając bezbłędne zachowanie samokorygujące i prowadząc do powstania strukturalnie uporządkowanych struktur.
„Chcieliśmy zbudować coś, co będzie można dostrajać, szybko reagować i dostosowywać się, i pomyśleliśmy, że wiązanie bor-tlen może być dobrym elementem do włączenia do opracowywanego przez nas szkieletu ze względu na jego odwracalność i elastyczność” – mówi Zhang.
Zrównoważone rozwiązania
Chang twierdzi, że opracowanie tego nowego porowatego materiału wymagało czasu: „Wytworzenie materiału jest łatwe i proste. Trudność pojawiała się na początku, gdy otrzymaliśmy materiał i musieliśmy zrozumieć lub wyjaśnić jego strukturę – jak tworzą się wiązania, jak powstają. Czy w tym materiale tworzą się kąty, czy jest on dwuwymiarowy?” „Stawiliśmy czoła pewnym wyzwaniom, ponieważ dane wyglądały obiecująco, ale nie wiedzieliśmy, jak je zinterpretować. Wykazywały pewne piki (dyfrakcja rentgenowska), ale nie mogliśmy” Nie można od razu powiedzieć, jakiego rodzaju strukturze odpowiadają te piki.”
Zatem on i jego koledzy badacze cofnęli się o krok, co może być ważną, ale mało omawianą częścią procesu naukowego. Skoncentrowali się na systemie modelu małych cząsteczek, który zawierał te same miejsca reaktywne, co w ich materiale, aby zrozumieć, w jaki sposób elementy składowe molekularne układają się w stanie stałym, co pomogło wyjaśnić dane.
Zhang dodaje, że podczas opracowywania tego materiału on i jego koledzy wzięli pod uwagę skalowalność, ponieważ jego potencjalne zastosowania przemysłowe wymagają dużych ilości. „Uważamy, że ta metoda jest wysoce skalowalna, a jej elementy są dostępne na rynku i niedrogie, więc przemysł może ją zastosować w odpowiednim czasie Prawidłowy.” .
Złożyli wniosek o patent na ten materiał i kontynuują badania z innymi materiałami budowlanymi, aby poznać zakres podłoża dla tego podejścia. Zhang twierdzi również, że widzi potencjał współpracy z naukowcami zajmującymi się inżynierią w celu wykorzystania materiału w zastosowaniach opartych na membranach.
„Procesy separacji membranowej wymagają zazwyczaj znacznie mniej energii, dlatego w dłuższej perspektywie mogą stanowić bardziej zrównoważone rozwiązania” – mówi Zhang. „Naszym celem jest udoskonalenie technologii, aby w zrównoważony sposób spełniała potrzeby przemysłu”.
Odniesienie: „Rozpoznawanie molekularne z rozdzielczością poniżej 0,2 angstremów za pomocą oscylacji termoregulacyjnych w kowalencyjnych strukturach organicznych” autorstwa Yiming Hu, Pratin Sengupta, Hai Long, Lacy J. Wayment, Richard Sciorra, Yinghua Jin, Jingyi Wu, Zhiping Li i Caleb Friedman, Hongxuan Chen, Miao Yu i Wei Zhang, 27 czerwca 2024 r. Nauki.
DOI: 10.1126/science.adj8791
„Analityk. Nieuleczalny nerd z bekonu. Przedsiębiorca. Oddany pisarz. Wielokrotnie nagradzany alkoholowy ninja. Subtelnie czarujący czytelnik.”
