研究人员开发了一种新的膜技术，可以更有效地从混合气体中去除二氧化碳 (CO 2 )，例如发电厂的排放物。
“为了展示我们新膜的能力，我们研究了 CO 2和氮的混合物，因为 CO 2 /二氧化氮混合物在减少发电厂温室气体排放的背景下特别重要，”共同通讯的 Rich Spontak 说关于这项工作的论文的作者。“我们已经证明，我们可以极大地提高膜去除 CO 2的选择性，同时保持相对较高的 CO 2渗透性。”
“我们还研究了 CO 2和甲烷的混合物，这对天然气工业很重要，”北卡罗来纳州立大学化学和生物分子工程杰出教授和材料科学与工程教授 Spontak 说。“此外，这些 CO 2过滤膜可用于需要从混合气体中去除 CO 2的任何情况——无论是生物医学应用还是从潜艇中的空气中净化 CO 2 。”
膜是一种从混合气体中去除 CO 2的有吸引力的技术，因为它们不占用太多物理空间，可以制成各种尺寸，并且可以轻松更换。另一种常用于去除 CO 2的技术是化学吸收，它包括将混合气体鼓泡通过含有液态胺的柱子，从而从气体中去除 CO 2。然而，吸收技术的足迹要大得多，而且液态胺往往是有毒和腐蚀性的。
这些膜过滤器的工作原理是让 CO 2比混合气体中的其他成分更快地通过膜。结果，从膜的另一侧流出的气体比进入膜的气体具有更高比例的CO 2 。通过捕获从膜中流出的气体，您捕获的 CO 2比捕获的其他成分气体多。
这种膜的长期挑战是在渗透性和选择性之间进行权衡。渗透性越高，气体通过膜的速度就越快。但当渗透率上升时，选择性下降——这意味着氮气或其他成分也会快速通过膜——降低混合物中 CO 2与其他气体的比例。In other words, when selectivity goes down you capture relatively less CO 2 .
来自美国和挪威的研究小组通过在现有膜的表面上生长既亲水又亲 CO 2的化学活性聚合物链来解决这个问题。这增加了CO 2的选择性并且导致渗透性的相对降低。
“简而言之，在渗透性几乎没有变化的情况下，我们已经证明我们可以将选择性提高多达 150 倍，”该论文的共同通讯作者、独立研究机构 SINTEF Industry 的高级研究科学家 Marius Sandru 说挪威的组织。“因此，相对于气体混合物中的其他物质，我们捕获了更多的 CO 2 。”
膜 CO 2过滤器面临的另一个挑战是成本。以前的膜技术越有效，它们往往就越昂贵。
“因为我们想创造一种商业上可行的技术，我们的技术从已经广泛使用的膜开始，”Spontak 说。“然后我们设计了这些膜的表面以提高选择性。虽然这确实增加了成本，但我们认为改性膜仍然具有成本效益。”
“我们接下来的步骤是看看我们在这里开发的技术在多大程度上可以应用于其他聚合物，以获得可比较甚至更好的结果;并升级纳米制造工艺，”Sandru 说。“老实说，尽管这里的结果令人兴奋，但我们还没有尝试优化这个修改过程。我们的论文报告了概念验证结果。”
研究人员还对探索其他应用感兴趣，例如新的膜技术是否可以用于生物医学呼吸机设备或水产养殖领域的过滤设备。
研究人员表示，他们愿意与行业合作伙伴一起探索这些问题或机会，以帮助缓解全球气候变化和改善设备功能。
该论文发表在《科学》杂志上。
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