根據一項新研究，一種新的膜材料可以使氣體凈化的效率明顯提高，可能有助於減少碳排放。化學分離的工業過程，包括天然氣凈化和用於醫療或工業用途的氧氣和氮氣的生產，共佔世界能源使用量的15%左右。它們也為世界的溫室氣體排放貢獻了相應的數量。現在，麻省理工學院和斯坦福大學的研究人員已經開發出一種新的膜，用於進行這些分離過程，其能源使用和排放約為此前的1/10。
眾所周知，使用膜來分離化學品比蒸餾或吸收等過程要有效得多，但在滲透性（氣體能以多快的速度穿透材料）和選擇性（讓所需分子通過而阻擋所有其他分子）的能力之間一直存在着權衡。研究人員說，基於 “hydrocarbon ladder”聚合物的新的膜材料系列克服了這種權衡，同時提供了高滲透性和極好的選擇性。
這些發現於3月24日發表在《科學》雜誌上，論文作者包括斯坦福大學化學系副教授夏岩、麻省理工學院化學工程系副教授Zachary Smith、阿卜杜拉國王科技大學教授Ingo Pinnau和其他五人。
氣體分離是一個重要而廣泛的工業過程，其用途包括從天然氣或沼氣中去除雜質和不受歡迎的化合物，從空氣中分離氧氣和氮氣用於醫療和工業用途，從其他氣體中分離二氧化碳用於碳捕獲，以及生產氫氣作為無碳交通燃料使用。新的聚合物膜顯示出大幅提高此類分離過程的性能的前景。例如，從甲烷中分離二氧化碳，這些新膜的選擇性是現有纖維素膜的5倍，滲透性是現有纖維素膜的100倍。同樣，在從甲烷中分離氫氣方面，它們的滲透性是100倍，選擇性是3倍。
夏岩實驗室的研究人員在過去幾年中開發的新型聚合物被稱為“梯形”聚合物，因為它們是由類似梯形的鍵連接的鏈形成的，這些鏈為聚合物材料提供了高度的剛性和穩定性。這些梯形聚合物是通過夏岩實驗室開發的一種高效和有選擇性的化學方法合成的，這種方法被稱為CANAL，它將容易獲得的化學品縫合成具有數百甚至數千個梯級的梯形結構。這些聚合物是在溶液中合成的，它們在溶液中形成了堅硬和扭結的帶狀鏈，可以通過使用工業上可用的聚合物澆鑄工藝輕鬆地製成具有亞納米級孔隙的薄片。所產生的孔隙的大小可以通過選擇特定的碳氫化合物起始化合物進行調整。夏岩說：“這種化學和化學構件的選擇使我們能夠製造出具有不同結構的非常堅硬的梯形聚合物。”
為了將CANAL聚合物用作選擇性膜，該合作利用了夏岩在聚合物方面的專業知識和Smith在膜研究方面的專長。斯坦福大學的前博士生Holden Lai進行了大部分的開發和探索，研究其結構如何影響氣體滲透特性。夏岩說：“從開發新化學到找到賦予高分離性能的正確聚合物結構，我們花了八年時間。”
夏岩實驗室在過去幾年裡改變了CANAL聚合物的結構，以了解其結構如何影響其分離性能。令人驚訝的是，他們發現在原來的CANAL聚合物上增加額外的扭結，大大改善了其膜的機械堅固性，並提高了其對尺寸相似的分子（如氧氣和氮氣）的選擇性，而不會失去對更易滲透的氣體的滲透性。選擇性實際上隨着材料的老化而提高。研究人員說，高選擇性和高滲透性的結合使這些材料在許多氣體分離中超過了所有其他聚合物材料。
今天，全球能源使用的15%用於化學分離，而這些分離過程“往往是基於百年前的技術”。Smith說。“它們工作得很好，但它們有巨大的碳足跡並消耗大量的能源。今天的關鍵挑戰是試圖取代這些不可持續的工藝。”他補充說，這些工藝中的大多數都需要高溫來煮沸和重煮溶液，而這些往往是最難電氣化的工藝。
他說，對於從空氣中分離氧氣和氮氣來說，這兩個分子的大小隻相差大約0.18埃。要製造一個能夠有效分離它們的過濾器，“在不降低產量的情況下是非常困難的”。但新的梯形聚合物在製造成膜時產生了微小的孔隙，實現了高選擇性，他說。在某些情況下，每一個氮氣可以滲透10個氧分子，儘管獲得這種類型的尺寸選擇性需要一個極薄的篩子。這些新的膜材料具有“所有已知聚合物材料中最高的滲透性和選擇性組合，適用於許多應用”，Smith說。
他補充說：“由於CANAL聚合物很強且具有延展性，而且它們可溶於某些溶劑，因此它們可以在幾年內按比例用於工業部署。”由這項研究的作者領導的一家名為Osmoses的麻省理工學院衍生公司最近贏得了麻省理工學院10萬美元的創業競賽，並得到了The Engine的部分資助，以使該技術商業化。
Smith表示，這些材料在化學加工行業有多種潛在的應用，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業廢品製成的沼氣燃料，以提供無碳交通燃料。用於生產燃料或化學原料的氫氣分離也可以有效地進行，有助於向以氫氣為基礎的經濟過渡。
這個緊密相連的研究團隊正在繼續完善該工藝，以促進從實驗室到工業規模的發展，並更好地了解大分子結構和包裝如何導致超高選擇性的細節。Smith說，他預計這項平台技術將在多種脫碳途徑中發揮作用，首先是氫氣分離和碳捕獲，因為為了過渡到無碳經濟，對這些技術有如此迫切的需求。
“這些是令人印象深刻的新結構，具有出色的氣體分離性能，”佐治亞理工學院化學和生物分子工程副教授Ryan Lively說，他沒有參與這項工作。“重要的是，這種性能在膜老化過程中以及當膜受到高濃度氣體混合物的挑戰時得到了改善。……如果他們能夠擴大這些材料的規模並製造出膜組件，就會有重大的潛在的實際影響。”