Crédito:Laboratorio Nacional de Oak Ridge
Investigadores del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía y la Universidad de Tennessee, Knoxville, están avanzando en los materiales de las membranas de gas para ampliar las opciones tecnológicas prácticas para reducir las emisiones industriales de carbono.
Resultados publicados en Chem Demostrar un método de fabricación de materiales de membrana que pueda superar los actuales cuellos de botella en selectividad y permeabilidad. variables clave que impulsan el rendimiento de captura de carbono en entornos reales.
"A menudo existe un compromiso en cuanto a qué tan selectivas o permeables se pueden hacer las membranas que filtran el dióxido de carbono sin permitir el paso de otros gases. El escenario ideal es crear materiales con alta permeabilidad y selectividad, ", dijo Zhenzhen Yang del Departamento de Química de UT.
Las membranas de gas son una tecnología prometedora, pero aún en desarrollo, para reducir las emisiones de gases de combustión o poscombustión producidas por las industrias de combustibles fósiles.
El concepto es simple:un delgado, La membrana porosa actúa como filtro para mezclas de gases de escape. permitiendo selectivamente el dióxido de carbono, o CO 2 , para fluir libremente hacia un colector que se mantiene a presión reducida, pero impidiendo el oxigeno, el nitrógeno y otros gases del arrastre.
A diferencia de los métodos químicos existentes para capturar CO 2 de procesos industriales, Las membranas son fáciles de instalar y pueden funcionar sin supervisión durante largos períodos sin pasos adicionales ni costos de energía adicionales. El truco es así de nuevo Se necesitan materiales rentables para ampliar la tecnología para su adopción comercial.
"Las membranas de gas necesitan presión en un lado y, por lo general, vacío en el otro para mantener un entorno de flujo libre, razón por la cual la selectividad y la permeabilidad de los materiales son tan importantes para desarrollar la tecnología, "dijo Ilja Popovs de la División de Ciencias Químicas de ORNL." Los materiales de bajo rendimiento requieren más energía para empujar los gases a través del sistema, por eso, los materiales avanzados son clave para mantener bajos los costos de energía ".
Ningún material natural y solo unos pocos sintéticos han superado lo que se llama el límite superior de Robeson, un límite conocido que limita cuán selectivos y permeables pueden ser la mayoría de los materiales antes de que estas tasas comiencen a disminuir.
Los materiales con una selectividad y permeabilidad suficientemente altas para separaciones de gas eficientes son raros y, a menudo, están hechos de materiales de partida costosos cuya producción requiere una síntesis larga y tediosa o catalizadores de metales de transición costosos.
"Nos propusimos probar la hipótesis de que la introducción de átomos de flúor en los materiales de las membranas podría mejorar el rendimiento de la captura y separación de carbono, "Dijo Yang.
El elemento flúor, utilizado para fabricar productos de consumo como teflón y pasta de dientes, ofrece propiedades fílicas de dióxido de carbono que lo hacen atractivo para aplicaciones de captura de carbono. También está ampliamente disponible, por lo que es una opción relativamente asequible para métodos de fabricación de bajo costo. La investigación sobre membranas de gas fluorado ha sido limitada debido a los desafíos fundamentales de incorporar flúor en materiales para realizar su funcionalidad amante del carbono.
"Nuestro primer paso fue crear un polímero único a base de flúor utilizando métodos químicos simples y materiales de partida disponibles comercialmente, "Dijo Yang.
Próximo, investigadores transformados, o carbonizado, el material utiliza calor para darle la estructura porosa y la funcionalidad necesaria para capturar CO 2 . El proceso de dos pasos conservó los grupos fluorados y aumentó el CO 2 selectividad en el material final, superando un obstáculo fundamental encontrado en otros métodos sintéticos.
"El enfoque dio como resultado un material de dióxido de carbono fílico con una gran superficie y ultramicroporos que es estable en condiciones de funcionamiento de alta temperatura, "Dijo Yang." Todos estos factores lo convierten en un candidato prometedor para membranas de captura y separación de carbono ".
The material's novel design contributes to its exceptional performance, observed in high selectivity and permeability rates that exceed the Robeson upper limit, something only a handful of materials have accomplished.
"Our success was a material achievement that demonstrates feasible routes for leveraging fluorine in future membrane materials. Moreover, we achieved this goal using commercially available, inexpensive starting materials, " Popovs said.
The basic discovery expands the limited library of practical options for carbon-capture membranes and opens new directions for developing fluorinated membranes with other task-specific functionalities.
Researchers aim to next investigate the mechanism by which fluorinated membranes absorb and transport CO 2 , a fundamental step that will inform the design of better carbon-capture systems with materials purposely tailored to grab CO 2 emissions.
