Управляемая мембрана для удаления углекислого газа из выхлопных газов

Когда слой сорбента открыт со стороны, где проходят отходящие газы, материал легко впитывает диоксид углерода, пока не достигнет предела своей емкости. Затем можно переключить напряжение, чтобы заблокировать сторону подачи и открыть другую сторону, где выделяется концентрированный поток почти чистого диоксида углерода

Система, разработанная инженерами-химиками Массачусетского технологического института, обеспечивает непрерывное удаления диоксида углерода из потока отходящих газов или даже из воздуха. Ключевым компонентом устройства является мембрана с электрохимической поддержкой, газопроницаемость которой можно включать и выключать по необходимости без использования движущихся частей и при относительно небольших затратах энергии.

Сами мембраны, изготовленные из анодированного оксида алюминия, имеют сотовую структуру, состоящую из шестиугольных отверстий, которые позволяют молекулам газа свободно проходить сквозь них. Однако, когда из-за электрического осаждения появляется тонкий слой металла, поры мембраны забиваются и прохождение через них потоков газа блокируется. Это явление и легло в основу предлагаемого устройства.

Результаты проделанной работы опубликованы в журнале Science Advances [1].

Этот новый механизм «газового затвора», говорят ученые, может быть применен для непрерывного удаления двуокиси углерода из ряда промышленных выхлопных газов и из окружающего воздуха. Было изготовлено экспериментальное устройство, демонстрирующее этот процесс.

В устройстве используется окислительно-восстановительный углеродный абсорбент, расположенный между двумя переключаемыми мембранами с газовым затвором. Сорбент и вентилируемые мембраны находятся в тесном контакте друг с другом и погружены в органический электролит, чтобы обеспечить среду, в которой ионы цинка перемещаются взад и вперед.

Эти две литниковые мембраны можно открывать или закрывать электрическим методом за счет переключения полярности напряжения между ними, заставляя ионы цинка перемещаться с одной стороны на другую. Ионы одновременно блокируют одну сторону, образуя над ней металлическую пленку, и открывают другую, растворяя ее.

Когда слой сорбента открыт со стороны, где проходят отходящие газы, материал легко впитывает диоксид углерода, пока не достигнет предела своей емкости. Затем можно переключить напряжение, чтобы заблокировать сторону подачи и открыть другую сторону, где выделяется концентрированный поток почти чистого диоксида углерода.

Создав систему с чередующимися секциями мембраны, которые работают в противоположных фазах, система могла бы обеспечить непрерывную работу в таких условиях, как промышленный скруббер. В любой момент времени одна половина секций будет поглощать газ, а другая половина выпускать его.

«Это означает, что газовый сырьевой поток поступает в систему с одного конца, а с другого выходит уже получаемый из него продукт в непрерывном режиме». «Такой подход позволяет избежать многих технологических проблем», которые присутствуют в традиционной многоколоночной системе, в которой адсорбционные слои необходимо поочередно отключать, продувать и затем регенерировать, прежде чем снова подвергнуть воздействию подаваемого газа для начала следующего цикла адсорбции. В новой системе этапы продувки не требуются, и весь процесс протекает исключительно внутри самого устройства.

Ключевым нововведением стало использование гальваники для открытия и закрытия пор в материале. Попутно было испробовано множество других подходов для обратимого закрытия пор в мембранном материале, например, использование крошечных магнитных сфер, которые необходимо расположить так, чтобы блокировать отверстия в форме воронки, но эти методы оказались недостаточно эффективными.

Тонкие металлические пленки могут быть особенно эффективными в качестве газовых барьеров, а ультратонкий слой, используемый в новой системе, требует минимального количества цинкового материала, который доступен в большом количестве и является недорогим.

«Это позволяет получить очень однородный слой покрытия с минимальным количеством материала». Одним из значительных преимуществ метода гальваники является то, что после изменения состояния системы, будь то в открытом или закрытом положении, не требуется подвод энергии для ее удержания. Энергия требуется только для того, чтобы осуществить переключение в обратный режим.

Потенциально такая система могла бы внести важный вклад в ограничение выбросов парниковых газов в атмосферу или даже использоваться в прямом улавливании уже выброшенного углекислого газа в атмосферу.

Несмотря на то, что первоначально группа исследователей была сосредоточена на проблеме отделения диоксида углерода от потока газов, система фактически может быть адаптирована к широкому спектру процессов химического разделения и очистки.

Ссылки:

1. https://doi.org/10.1126/sciadv.abc1741

Источник: Massachusetts Institute of Technology