Команда Цзян Чжунъи и Хэ Гуанвэя из Тяньцзиньского университета успешно разработала новую полностью органическую смешанноматричную мембрану, преодолев узкое место, связанное с трудностью одновременного обеспечения разделительных характеристик и технологичности мембраны, и открыв новый путь к созданию материалов для низкоэнергозатратного и низкозатратного улавливания углерода из промышленных газов. Результаты этой работы 7 октября были опубликованы онлайн в ведущем международном научном журнале Nature Energy.
Для достижения целей «двойного углеродного» пика улавливание углерода является важным звеном. Так называемое «улавливание углерода» — это захват диоксида углерода, выбрасываемого в атмосферу, с последующим сжатием и захоронением в истощённых нефтяных месторождениях или других безопасных подземных хранилищах.
В промышленных газах, выбрасываемых электростанциями, цементными и металлургическими заводами, концентрация диоксида углерода невысока, но общий объём велик. Чтобы «отсеять» его, традиционные методы требуют высоких энергозатрат и затрат. Мембранная технология разделения является экологически чистой, низкоуглеродной и энергосберегающей и считается технологией улавливания углерода с огромным потенциалом.
Схема полностью органической смешанноматричной мембраны на основе монокристаллического ковалентного органического каркаса (фото предоставлено респондентом)
Мембрана — это «сито» мембранной технологии разделения. Улавливание углерода из промышленных дымовых газов требует от мембраны одновременно высокой проницаемости, высокой селективности, долгосрочной стабильности и лёгкости масштабирования. Смешанноматричные мембраны сочетают технологичность полимеров с высокой эффективностью переноса пористых наполнителей и занимают важное место в низкоэнергозатратном улавливании углерода, однако два типа материалов обладают совершенно различными свойствами, что создаёт проблему совместимости. Традиционный подход заключается в усилении сил взаимодействия, чтобы «склеить» два типа материалов прочнее, но эффект ограничен: разделительные характеристики по-прежнему определяются полимером, а пористый наполнитель с трудом может проявить свою роль.
В связи с этим исследовательская группа, вдохновлённая структурой клеточной мембраны, предложила стратегию «встраивания со слабыми межфазными силами», объединив монокристаллический ковалентный органический каркас (COF) с упорядоченными каналами и полимер, и разработала полностью органическую смешанноматричную мембрану. За счёт согласования взаимодействий «наполнитель—полимер» и «наполнитель—наполнитель» удалось равномерно «встроить» COF с высокой степенью наполнения в мембрану, так что он действительно «играет главную роль» в молекулярном транспорте, при этом сохраняются гибкость мембраны и её перерабатываемость из раствора, а также создаются сверхбыстрые транспортные каналы для диоксида углерода.
Схема морфологии и микроструктуры мембранного листа (фото предоставлено респондентом)
В тестах на модельной смеси дымовых газов проницаемость диоксида углерода у полученной командой полностью органической смешанноматричной мембраны выросла на порядок величины, превысив зафиксированное в литературе рекордное значение и достигнув примерно 70% от теоретического значения для чистой мембраны COF, предсказанного моделью. Мембрана также продемонстрировала хорошую долгосрочную стабильность: в условиях тестирования с содержанием влаги, оксидов серы и оксидов азота её характеристики оставались стабильными. По предварительному технико-экономическому анализу, при заданных технологических условиях и затратах стоимость улавливания углерода составляет около 38 долларов США на тонну диоксида углерода.
«Превратить сложную задачу промышленного сокращения выбросов углерода в научную проблему высокотехнологичных мембранных материалов — это направление наших долгосрочных исследований», — отметил профессор Цзян Чжунъи, автор-корреспондент статьи. По его словам, этот результат предоставляет новые идеи для разработки мембранных материалов, сочетающих характеристики, стабильность и технологичность, и может найти применение в улавливании углерода из дымовых газов в электроэнергетике, цементной и металлургической промышленности, тем самым продвигая мембранные технологии улавливания углерода к промышленному применению.