化學(xué)分離的工業(yè)過程，包括天然氣凈化以及醫(yī)用或工業(yè)用氧氣和氮氣的生產(chǎn)，總共占世界能源使用量的15%，但是它們也為世界溫室氣體排放量做出了相應(yīng)的“貢獻(xiàn)”。現(xiàn)在，麻省理工學(xué)院（MIT）和斯坦福大學(xué)（Stanford University）的研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型膜，用于執(zhí)行這些分離過程，其能耗和排放量約為1/10。

眾所周知，使用膜分離化學(xué)物質(zhì)比蒸餾或吸收等過程效率更高，但在氣體穿透材料的速度和選擇性之間，始終存在著一種折衷，即氣體穿透材料的速度，以及在阻止所有其他分子的同時讓所需分子通過的能力。研究人員說，基于“碳?xì)浠衔镫A梯”聚合物的新型膜材料家族克服了這種折衷，既提供了高滲透性，又提供了極好的選擇性。

氣體分離是一種重要而廣泛的工業(yè)過程，其用途包括從天然氣或沼氣中去除雜質(zhì)和不需要的化合物，從空氣中分離氧氣和氮氣用于醫(yī)療和工業(yè)用途，從其他氣體中分離二氧化碳用于碳捕集，以及生產(chǎn)氫氣用作無碳運(yùn)輸燃料。新型梯形聚合物膜有望顯著改善此類分離過程的性能。例如，在從甲烷中分離二氧化碳時，這些新膜的選擇性是現(xiàn)有纖維素膜的五倍，滲透性是現(xiàn)有纖維素膜的100倍。同樣，它們的滲透性是甲烷和氫氣分離的100倍，選擇性是前者的3倍。

實驗室在過去幾年中開發(fā)的新型聚合物被稱為梯形聚合物，因為它們是由雙鏈通過梯級狀鍵連接而成，這些鍵為聚合物材料提供了高度的剛性和穩(wěn)定性。這些梯形聚合物是通過實驗室開發(fā)的一種高效、選擇性的化學(xué)反應(yīng)合成的，這種化學(xué)反應(yīng)稱為CANAL，是催化芳烴降冰片烯環(huán)化反應(yīng)的縮寫，它將現(xiàn)成的化學(xué)物質(zhì)縫合成具有數(shù)百甚至數(shù)千級的梯形結(jié)構(gòu)。

聚合物是在溶液中合成的，在溶液中它們形成剛性的、扭結(jié)的帶狀線，通過使用工業(yè)上可用的聚合物澆鑄工藝，可以很容易地制成具有亞納米級孔隙的薄片。通過選擇特定的碳?xì)浠衔锲鹗蓟衔?，可以調(diào)整生成孔隙的大小。夏說這種化學(xué)反應(yīng)和化學(xué)積木的選擇使我們能夠制造具有不同結(jié)構(gòu)的非常堅硬的梯形聚合物。

為了將CANAL聚合物用作選擇性膜，該合作利用了夏在聚合物方面的專業(yè)知識和史密斯在膜研究方面的專長。研究人員對其結(jié)構(gòu)如何影響氣體滲透性能進(jìn)行了大量開發(fā)和探索。他說：“我們花了八年時間，從開發(fā)新的化學(xué)物質(zhì)，到找到合適的聚合物結(jié)構(gòu)，賦予高分離性能。”

實驗室在過去幾年中對CANAL聚合物的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改變，以了解其結(jié)構(gòu)如何影響其分離性能。令人驚訝的是，他們發(fā)現(xiàn)，在原有的管狀聚合物中添加額外的扭結(jié)，可以顯著提高膜的機(jī)械穩(wěn)定性，并提高膜對類似大小的分子（如氧氣和氮氣）的選擇性，而不會失去更具滲透性的氣體的滲透性。隨著材料老化，選擇性實際上會提高。研究人員說，高選擇性和高滲透性的結(jié)合使這些材料在許多氣體分離方面優(yōu)于所有其他聚合物材料。

如今，全球15%的能源消耗用于化學(xué)分離，這些分離過程通?；诎倌昵暗募夹g(shù)，它們工作得很好，但它們有巨大的碳足跡，消耗大量能源。今天的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是試圖取代這些不可持續(xù)的過程。這些過程中的大多數(shù)都需要高溫來煮沸和重新煮沸溶液，而這些過程往往是最難通電的過程。

對于從空氣中分離氧和氮來說，這兩個分子的大小僅相差約0.18埃（100億分之一米）。要制造一個能夠有效分離它們的過濾器而不降低吞吐量是非常困難的。當(dāng)制造成膜時，新的梯形聚合物會產(chǎn)生微孔，實現(xiàn)高選擇性。在某些情況下，每一個氮都會滲透10個氧分子，盡管需要極細(xì)的篩子才能達(dá)到這種尺寸選擇性。史密斯說這些新型膜材料在許多應(yīng)用中具有所有已知聚合物材料中滲透性和選擇性的最高組合。

他補(bǔ)充說：“由于CANAL聚合物具有很強(qiáng)的韌性，并且可溶于某些溶劑，因此可以在幾年內(nèi)擴(kuò)大規(guī)模用于工業(yè)部署?！?。由這項研究的作者領(lǐng)導(dǎo)的麻省理工學(xué)院衍生公司Osmoses最近贏得了麻省理工學(xué)院10萬美元的創(chuàng)業(yè)競賽，并得到了該引擎的部分資助，以將該技術(shù)商業(yè)化。

這些材料在化學(xué)加工行業(yè)有多種潛在的應(yīng)用，包括將二氧化碳從其他氣體混合物中分離出來，作為一種減排形式。另一種可能性是凈化由農(nóng)業(yè)廢棄物制成的沼氣燃料，以提供無碳運(yùn)輸燃料。用于生產(chǎn)燃料或化工原料的氫分離也可以有效地進(jìn)行，有助于向氫經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型。

緊密團(tuán)結(jié)的研究團(tuán)隊正在繼續(xù)完善該工藝，以促進(jìn)從實驗室到工業(yè)規(guī)模的發(fā)展，并更好地了解大分子結(jié)構(gòu)和填料如何導(dǎo)致超高選擇性的細(xì)節(jié)。史密斯預(yù)計該平臺技術(shù)將在多個脫碳途徑中發(fā)揮作用，從氫分離和碳捕獲開始，因為向無碳經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型迫切需要這些技術(shù)。文章來源：賢集網(wǎng)

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