Neues Membranmaterial könnte die Reinigung von Gasen deutlich effizienter machen

Industrielle Prozesse zur chemischen Trennung, einschließlich der Reinigung von Erdgas und der Produktion von Sauerstoff und Stickstoff für medizinische oder industrielle Zwecke, sind zusammen für etwa 15 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs verantwortlich. Sie tragen auch in entsprechendem Umfang zu den weltweiten Treibhausgasemissionen bei. Jetzt haben Forscher des MIT und der Stanford University eine neuartige Membran entwickelt, um diese Trennprozesse mit etwa 1/10 des Energieverbrauchs und der Emissionen durchzuführen.

Die Verwendung von Membranen zur Trennung von Chemikalien ist bekanntermaßen viel effizienter als Verfahren wie Destillation oder Absorption, aber es gab immer einen Kompromiss zwischen Permeabilität – wie schnell Gase durch das Material dringen können – und Selektivität – der Fähigkeit, die gewünschten Moleküle durchzulassen passieren, während alle anderen blockiert werden. Die neue Familie von Membranmaterialien, die auf „Kohlenwasserstoffleiter“-Polymeren basiert, überwindet diesen Kompromiss, indem sie sowohl eine hohe Permeabilität als auch eine extrem gute Selektivität bietet, sagen die Forscher.

Die Ergebnisse werden in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaft, in einem Artikel von Yan Xia, einem außerordentlichen Professor für Chemie in Stanford; Zachary Smith, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen am MIT; Ingo Pinnau, Professor an der King Abdullah University of Science and Technology, und fünf weitere.

Die Gastrennung ist ein wichtiger und weit verbreiteter industrieller Prozess, zu dessen Verwendungszwecken die Entfernung von Verunreinigungen und unerwünschten Verbindungen aus Erdgas oder Biogas, die Abtrennung von Sauerstoff und Stickstoff aus der Luft für medizinische und industrielle Zwecke, die Abtrennung von Kohlendioxid von anderen Gasen zur Kohlenstoffabscheidung und die Erzeugung von Wasserstoff für den Gebrauch gehören als kohlenstofffreier Transportkraftstoff. Die neuen Leiterpolymermembranen versprechen eine drastische Verbesserung der Leistung solcher Trennverfahren. Beispielsweise haben diese neuen Membranen bei der Trennung von Kohlendioxid von Methan die fünffache Selektivität und die 100-fache Permeabilität bestehender Zellulosemembranen für diesen Zweck. Ebenso sind sie 100-mal durchlässiger und dreimal so selektiv, um Wasserstoffgas von Methan zu trennen.

Die neue Art von Polymeren, die in den letzten Jahren vom Xia-Labor entwickelt wurden, werden als Leiterpolymere bezeichnet, da sie aus Doppelsträngen bestehen, die durch sprossenartige Bindungen verbunden sind, und diese Verknüpfungen dem Polymer ein hohes Maß an Steifigkeit und Stabilität verleihen Polymermaterial. Diese Leiterpolymere werden über eine effiziente und selektive Chemie synthetisiert, die das Xia-Labor namens CANAL entwickelt hat, ein Akronym für katalytische Aren-Norbornen-Anellierung, die leicht verfügbare Chemikalien in Leiterstrukturen mit Hunderten oder sogar Tausenden von Sprossen zusammenfügt. Die Polymere werden in einer Lösung synthetisiert, wo sie starre und geknickte bandartige Stränge bilden, die sich leicht zu einer dünnen Folie mit Poren im Subnanometerbereich verarbeiten lassen, indem industriell verfügbare Polymergießverfahren verwendet werden. Die Größe der resultierenden Poren kann durch die Wahl der spezifischen Kohlenwasserstoff-Ausgangsverbindungen eingestellt werden. „Diese Chemie und die Auswahl der chemischen Bausteine ​​ermöglichten es uns, sehr starre Leiterpolymere mit unterschiedlichen Konfigurationen herzustellen“, sagt Xia.

Um die CANAL-Polymere als selektive Membranen einzusetzen, nutzte die Zusammenarbeit Xias Expertise im Bereich Polymere und Smiths Spezialisierung auf Membranforschung. Holden Lai, ein ehemaliger Stanford-Doktorand, führte einen Großteil der Entwicklung und Erforschung der Auswirkungen ihrer Strukturen auf die Gaspermeationseigenschaften durch. „Von der Entwicklung der neuen Chemie bis zum Finden der richtigen Polymerstrukturen, die die hohe Trennleistung verleihen, haben wir acht Jahre gebraucht“, sagt Xia.

Das Xia-Labor verbrachte die letzten Jahre damit, die Strukturen von CANAL-Polymeren zu variieren, um zu verstehen, wie ihre Strukturen ihre Trennleistung beeinflussen. Überraschenderweise fanden sie heraus, dass das Hinzufügen zusätzlicher Knicke zu ihren ursprünglichen CANAL-Polymeren die mechanische Robustheit ihrer Membranen erheblich verbesserte und ihre Selektivität für Moleküle ähnlicher Größe, wie Sauerstoff- und Stickstoffgase, erhöhte, ohne die Durchlässigkeit des durchlässigeren Gases zu verlieren. Die Selektivität verbessert sich tatsächlich, wenn das Material altert. Die Kombination aus hoher Selektivität und hoher Permeabilität lässt diese Materialien alle anderen Polymermaterialien in vielen Gastrennungen übertreffen, sagen die Forscher.

Heute fließen 15 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs in chemische Trennungen, und diese Trennverfahren basieren „oft auf jahrhundertealten Technologien“, sagt Smith. „Sie funktionieren gut, aber sie haben einen enormen CO2-Fußabdruck und verbrauchen enorme Mengen an Energie. Die größte Herausforderung besteht heute darin, diese nicht nachhaltigen Prozesse zu ersetzen.“ Die meisten dieser Prozesse erfordern hohe Temperaturen zum Sieden und Aufkochen von Lösungen, und diese Prozesse sind oft am schwierigsten zu elektrifizieren, fügt er hinzu.

Bei der Trennung von Sauerstoff und Stickstoff aus Luft unterscheiden sich die beiden Moleküle in der Größe nur um etwa 0,18 Angström (zehn Milliardstel Meter), sagt er. Einen Filter herzustellen, der in der Lage ist, sie effizient zu trennen, „ist unglaublich schwierig, ohne den Durchsatz zu verringern“. Aber die neuen Leiterpolymere erzeugen, wenn sie zu Membranen verarbeitet werden, winzige Poren, die eine hohe Selektivität erreichen, sagt er. In einigen Fällen dringen 10 Sauerstoffmoleküle für jeden Stickstoff durch, trotz des hauchdünnen Siebs, das erforderlich ist, um auf diese Art von Größenselektivität zuzugreifen. Diese neuen Membranmaterialien haben „die höchste Kombination aus Permeabilität und Selektivität aller bekannten Polymermaterialien für viele Anwendungen“, sagt Smith.

„Da CANAL-Polymere stark und dehnbar sind und weil sie in bestimmten Lösungsmitteln löslich sind, könnten sie innerhalb weniger Jahre für den industriellen Einsatz skaliert werden“, fügt er hinzu. Ein MIT-Spin-off-Unternehmen namens Osmoses, das von den Autoren dieser Studie geleitet wird, hat kürzlich den Preis gewonnen MIT $100.000 Unternehmerwettbewerb und wurde teilweise von The Engine finanziert, um die Technologie zu kommerzialisieren.

Laut Smith gibt es eine Vielzahl potenzieller Anwendungen für diese Materialien in der chemischen Verarbeitungsindustrie, einschließlich der Abtrennung von Kohlendioxid aus anderen Gasgemischen als eine Form der Emissionsreduzierung. Eine weitere Möglichkeit ist die Reinigung von Biogaskraftstoff aus landwirtschaftlichen Abfallprodukten, um kohlenstofffreien Transportkraftstoff bereitzustellen. Die Wasserstoffabtrennung zur Herstellung eines Kraftstoffs oder eines chemischen Rohstoffs könnte ebenfalls effizient durchgeführt werden und den Übergang zu einer wasserstoffbasierten Wirtschaft unterstützen.

Das engmaschige Forscherteam verfeinert den Prozess weiter, um die Entwicklung vom Labor- zum Industriemaßstab zu erleichtern und die Details darüber besser zu verstehen, wie die makromolekularen Strukturen und Packungen zu der ultrahohen Selektivität führen. Smith sagt, er erwartet, dass diese Plattformtechnologie eine Rolle in mehreren Dekarbonisierungspfaden spielen wird, beginnend mit der Wasserstofftrennung und der Kohlenstoffabscheidung, da es einen so dringenden Bedarf an diesen Technologien gibt, um zu einer kohlenstofffreien Wirtschaft überzugehen.

Zum Forschungsteam gehörten auch Jun Myun Ahn und Ashley Robinson von Stanford, Francesco Benedetti vom MIT, jetzt Chief Executive Officer von Osmoses, und Yingge Wang von der King Abdullah University of Science and Technology in Saudi-Arabien.