膜可以帮助捕获工业中排放的大量CO2

由二氧化碳(CO2)排放到大气中引起的气候破坏是人类面临的主要生存问题。最可接受的解决方案是完全终止使用化石燃料,或者至少按照巴黎协定,迅速减少所有国家对化石燃料的使用。这将确保将行星变暖限制在2℃以内。但是,减排速度缓慢,而且大多数国家不太可能达到协议的目标。

因此,迫切需要用于防止大量CO2排放的技术解决方案。一些用于CO2捕获的技术,例如液体胺化学物质的吸附,已经足够成熟,可以大规模应用。然而,它们昂贵并且一旦失去其CO2结合性能就带有毒性化学处理的负担。因此,替代技术非常重要。

在膜的帮助下进行气体分离正在成为建立可持续社会的关键技术。膜的广泛部署可以帮助捕获工业过程中排放的大量二氧化碳。与常规的CO2捕集相反,使用膜进行气体分离具有成本效益的希望。然而,为了实现大规模的经济CO2捕集,这些膜需要几个关键特征:快速的CO2通过其结构传输;高CO2选择性(即成为对其他气体的渗透性较低的屏障);机械强度和耐化学性。另外,膜应由批量生产中廉价的材料组成,因此有机聚合物(常规塑料和橡胶)对于工业应用最有吸引力。

薄膜复合材料代表了一种特殊的膜结构,可为工业应用提供坚固的结构。这些膜包含多个功能层(由有机聚合物制成),为大规模CO2捕获提供了良好的解决方案。然而,即使具有最佳分离性能(高CO2渗透性和高CO2 / N2选择性)的基准有机聚合物也由于不能形成足够薄,无缺陷和机械稳定的膜而不能表现出令人满意的分离性能。

在一项新研究中,研究人员首次报告了如何最终使用厚度为几纳米的薄选择层来实现所需的分离性能。他们在研究中使用了著名的聚合物-聚醚嵌段酰胺(Pebax-1657)作为选择层,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟槽层。他们研究了将选择层的厚度推至几纳米的极限时气体分离性能会如何变化。他们报告说,当分离膜的选择性层变得非常薄时,它可以与复合结构中的檐槽层形成特定的界面。这种纳米级界面对CO2具有出乎意料的高选择性。促进与亲水性选择性层的粘合所需的疏水性PDMS层的柔和超短等离子体处理显示,其本身是控制和调节两种聚合物之间分子界面活性的工具。

他们发现该界面对CO2选择性具有决定性的影响。膜片厚度薄,渗透率高,可以很好地适合工业CO2捕集(例如,化石燃料发电厂的燃烧后捕集)所需的分离特性区域。这些结果为界面控制的气体分离开辟了一个新的,尚未探索的领域,工程师可以使用它来设计更有效的膜,以用于各种有用的应用。

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