MIT araştırmacıları, doğal gaz saflaştırma verimliliğini önemli ölçüde artırabilen ve çevresel etkilerini azaltan yeni bir polimer membran geliştirdiler.
Yeni membran materyali, toksik solventlere ihtiyaç duymadan daha fazla safsızlığı giderir.
Doğal gaz ve biyogaz, kömür ve yağ ile karşılaştırıldığında daha temiz ve daha verimli yanma süreci sayesinde, son yıllarda dünya çapında giderek daha popüler bir enerji kaynağı haline gelmiştir.
Bununla birlikte, gaz içindeki karbondioksit gibi kirletici maddelerin varlığı, önce yakıt olarak yakılmadan önce saflaştırılması gerektiği anlamına gelir.
Doğal gazı saflaştırmak için geleneksel işlemler tipik olarak toksik çözücülerin kullanılmasını içerir ve aşırı derecede enerji yoğundur.
Sonuç olarak, araştırmacılar membranların doğal gazdaki yabancı maddeleri daha uygun maliyetli ve çevre dostu bir şekilde almanın bir yolu olarak kullanımını araştırıyorlar, ancak gazları hızlı ve etkili bir şekilde ayırabilen bir polimer malzemesi bulmak çok zor oldu.
Artık, bugün Advanced Materials dergisinde yayınlanan bir makalede , MIT araştırmacıları, doğal etkilerin verimliliğini önemli ölçüde artırabilirken, çevresel etkilerini azaltan yeni bir polimer membran türü tanımladılar.
MIT’deki disiplinlerarası bir araştırma ekibi tarafından tasarlanan membran, MIT’deki Kimya Bölümü’nden mezun bir öğrenci olan Yuan He’ye göre, doğal gazları geleneksel malzemelerden çok daha hızlı bir şekilde işleme kapasitesine sahip.
“Tasarımımız çok daha fazla doğal gazı işleyebilir – çok daha fazla karbondioksiti kaldırarak – daha kısa sürede” diyor.
Mevcut membranlar tipik olarak doğrusal polimer telleri kullanılarak yapılır, diyor Zachary Smith, Joseph R. Mares bu araştırma çalışmasını yöneten MIT’de Kimya Mühendisliği Kariyer Geliştirme Profesörü.
“Bunlar moleküler seviyede pişmiş makarna erişte gibi görünen uzun zincirli polimerler” diyor. “Bu pişmiş makarna eriştelerini daha sert hale getirebilir ve böylece paketleme yapısını değiştiren erişte ile moleküllerin nüfuz edebileceği boşluklar arasında boşluklar yaratabilirsiniz.”
Ancak, böyle malzemeler karbondioksit moleküllerinin mevcut arıtma işlemleriyle rekabet edebilecek kadar hızlı bir şekilde geçmesine izin verecek kadar gözenekli değildir.
Araştırmacılar, uzun polimer zincirleri kullanmak yerine, iplikçiklerin saç telleri gibi göründüğü, her iplikçikte küçük kıllar bulunan membranlar tasarladılar. Bu kıllar polimerlerin gazları çok daha etkili bir şekilde ayırmalarını sağlar.
Smith, “Kılları saç fırçası üzerine ayarlayabildiğimiz yeni bir tasarım stratejimiz var, bu da malzemeyi tam ve sistematik olarak ayarlamamızı sağlıyor” diyor. “Bunu yaparken, seçici ve son derece geçirgen membranlar oluşturmak için hassas subnanometre boşlukları oluşturabilir ve ihtiyaç duyduğumuz etkileşim türlerini sağlayabiliriz.”
Araştırmacılar, deneylerde, membranın plastikleşmeyle zarar görmeden 51 bara kadar eşi görülmemiş karbon dioksit besleme basınçlarına dayanabildiğini belirtti. Bu, en iyi performans gösteren malzemeler için yaklaşık 34 bar ile karşılaştırılabilir. Ayrıca membran, ekibe göre, geleneksel membranlardan 2.000 ila 7.000 kat daha geçirgen.
Yan zincirler veya “kıllar” polimerize edilmeden önce önceden tasarlanabildiklerinden, MIT’de Kimya Mühendisliği Bölümü’nde Smith’in araştırma laboratuarında misafir yüksek lisans öğrencisi Francesco Benedetti’ye göre polimere çeşitli fonksiyonların dahil edilmesi çok daha kolay.
Araştırma ayrıca Timothy Swager, Kimya Profesörü John D. MacArthur ve Troy Van Voorhis, Kimya Profesörü Haslam ve Dewey, MIT lisansüstü öğrencileri Hong-Zhou Ye ve Sharon Lin, Bologna Üniversitesi’ndeki Grazia DeAngelis’i ve Çin Bilimler Akademisi’nden Chao Liu ve Yanchuan Zhao’i de içermektedir.
Benedetti, “Malzemenin performansı, önceden tasarladığımız yan zincirlerde veya fırçalarda çok ince değişiklikler yaparak ayarlanabilir” diyor. “Bu çok önemli, çünkü çok ince uygulamaları yaparak çok farklı uygulamaları hedef alabiliyoruz.”
Dahası, araştırmacılar saç fırçası polimerlerinin diğer membranların bozulmasına neden olacak koşullara daha iyi dayanabileceklerini keşfetti.
Mevcut zarlarda, uzun zincirli polimer telleri, katı hal filmler oluşturmak üzere birbirine yapışarak birbirlerinin üzerine biner. Fakat zamanla polimer telleri birbirlerinin üzerine kaymakta ve fiziksel ve kimyasal bir dengesizlik yaratmaktadır.
Yeni membran tasarımında, aksine, polimer kılların tümü bir omurga görevi gören uzun zincirli bir iplikçik ile bağlanır. Sonuç olarak, tek tek kıllar hareket edemez ve daha stabil bir membran malzemesi oluşturur.
Smith, bu kararlılık, malzemeye plastikleşme olarak bilinen, polimerlerin karbon dioksit gibi agresif hammadde varlığında şiştiği, daha önce görülmemiş bir direnç sağladığını söylüyor.
“Geleneksel polimerlerde daha önce hiç görmediğimiz bir stabilite gördük” diyor.
Gaz ayırma için polimer membranların kullanılması, yüksek enerji verimlilik, minimum çevresel etki ve basit ve sürekli çalışma sunar, ancak mevcut ticari malzemeler düşük geçirgenliğe ve orta düzeyde seçiciliğe sahiptir, bu da diğer enerji yoğun süreçlere göre daha az rekabetçi olmasını sağlar, diyor araştırmaya katılmamış olan Stanford Üniversitesi’nde kimya profesörü Yan Xia.
Xia, “Bu polimerlerden gelen membranlar, endüstriyel açıdan önemli birkaç gaz için çok yüksek nüfuz sergiler” diyor. “Ayrıca, bu polimerler, karbondioksit ile ilgili ayrıştırmalar için istenen malzeme yapan nispeten esnek omurgalarına rağmen , gaz basıncı arttıkça, çok az istenmeyen plastikleşme sergilerler.”
Araştırmacılar, bunun performanslarını nasıl etkilediğini araştırmak için fırçaların kimyası ve yapısı hakkında sistematik bir çalışma yapmayı planlıyorlar.
“Ayırma işlemine yardımcı olmak için en etkili kimya ve yapıyı arıyoruz.”
Ekip ayrıca membran tasarımlarının karbon yakalama ve depolama dahil diğer uygulamalarda ve hatta sıvıları ayırmada kullanımını araştırmayı umuyor.
Kaynak: mit.edu