Il gas naturale e il biogas sono diventati fonti di energia sempre più popolari in tutto il mondo negli ultimi anni, grazie al loro processo di combustione più pulito ed efficiente rispetto al carbone e al petrolio.

Però, la presenza di contaminanti come l'anidride carbonica all'interno del gas significa che deve essere prima purificato prima di poter essere bruciato come combustibile.

I processi tradizionali per purificare il gas naturale implicano tipicamente l'uso di solventi tossici e sono estremamente dispendiosi dal punto di vista energetico.

Di conseguenza, i ricercatori hanno studiato l'uso delle membrane come un modo per rimuovere le impurità dal gas naturale in un modo più economico e rispettoso dell'ambiente, ma trovare un materiale polimerico in grado di separare i gas in modo rapido ed efficace si è finora dimostrato una sfida.

Ora, in un articolo pubblicato oggi sulla rivista Materiale avanzato , i ricercatori del MIT descrivono un nuovo tipo di membrana polimerica che può migliorare notevolmente l'efficienza della purificazione del gas naturale riducendone l'impatto ambientale.

La membrana, che è stato progettato da un team di ricerca interdisciplinare del MIT, è in grado di trattare il gas naturale molto più rapidamente dei materiali convenzionali, secondo l'autore principale Yuan He, uno studente laureato presso il Dipartimento di Chimica del MIT.

"Il nostro design può elaborare molto più gas naturale, rimuovendo molta più anidride carbonica, in un lasso di tempo più breve, " Lui dice.

Le membrane esistenti sono generalmente realizzate utilizzando fili lineari di polimero, dice Zaccaria Smith, il Joseph R. Mares Professore per lo sviluppo della carriera di ingegneria chimica al MIT, che ha guidato questo sforzo di ricerca.

"Questi sono polimeri a catena lunga, che a livello molecolare sembrano spaghetti cotti, "dice. "Puoi rendere più rigidi questi spaghetti cotti, e così facendo crei spazi tra i noodles che cambiano la struttura dell'imballaggio e lo spazio attraverso il quale le molecole possono permeare."

Però, tali materiali non sono sufficientemente porosi da consentire alle molecole di anidride carbonica di permeare attraverso di essi ad una velocità sufficientemente rapida da competere con i processi di purificazione esistenti.

Invece di usare lunghe catene di polimeri, i ricercatori hanno progettato membrane in cui i fili sembrano spazzole per capelli, con piccole setole su ogni filo. Queste setole consentono ai polimeri di separare i gas in modo molto più efficace.

"Abbiamo una nuova strategia di design, dove possiamo accordare le setole sulla spazzola per capelli, che ci permette di mettere a punto in modo preciso e sistematico il materiale, " dice Smith. "Così facendo, possiamo creare spaziature subnanometriche precise, e abilitare i tipi di interazioni di cui abbiamo bisogno, per creare membrane selettive e altamente permeabili."

Negli esperimenti, la membrana è stata in grado di resistere a pressioni di alimentazione di anidride carbonica senza precedenti fino a 51 bar senza subire plastificazione, riferiscono i ricercatori. Ciò è paragonabile a circa 34 bar per i materiali più performanti. La membrana è anche 2, 000 -7, 000 volte più permeabile delle membrane tradizionali, secondo la squadra.

Poiché le catene laterali, o "setole, " può essere pre-progettato prima di essere polimerizzato, è molto più facile incorporare una serie di funzioni nel polimero, secondo Francesco Benedetti, uno studente laureato in visita all'interno del laboratorio di ricerca di Smith nel Dipartimento di Ingegneria Chimica del MIT.

La ricerca ha incluso anche Timothy Swager, il professore di chimica John D. MacArthur, e Troy Van Voorhis, il professore di chimica Haslam e Dewey, Studenti laureati del MIT Hong-Zhou Ye e Sharon Lin, M. Grazia DeAngelis presso l'Università di Bologna, e Chao Liu e Yanchuan Zhao all'Accademia cinese delle scienze.

"Le prestazioni del materiale possono essere regolate apportando cambiamenti molto sottili nelle catene laterali, o spazzole, che progettiamo in anticipo, " dice Benedetti. "Questo è molto importante, perché significa che possiamo indirizzare applicazioni molto diverse, semplicemente apportando modifiche molto sottili."

Cosa c'è di più, i ricercatori hanno scoperto che i polimeri delle loro spazzole per capelli sono più in grado di resistere a condizioni che causerebbero il cedimento di altre membrane.

Nelle membrane esistenti, i filamenti polimerici a catena lunga si sovrappongono l'uno all'altro, che si uniscono per formare film a stato solido. Ma nel tempo i fili di polimero scivolano l'uno sull'altro, creando un'instabilità fisica e chimica.

Nel nuovo design della membrana, in contrasto, le setole polimeriche sono tutte collegate da un filo a catena lunga, che funge da spina dorsale. Di conseguenza, le singole setole non sono in grado di muoversi, creando un materiale di membrana più stabile.

Questa stabilità conferisce al materiale una resistenza senza precedenti ad un processo noto come plastificazione, in cui i polimeri si gonfiano in presenza di cariche aggressive come anidride carbonica, Smith dice.

"Abbiamo riscontrato una stabilità mai vista prima nei polimeri tradizionali, " lui dice.

L'utilizzo di membrane polimeriche per la separazione dei gas offre un'elevata efficienza energetica, impatto ambientale minimo, e funzionamento semplice e continuo, ma i materiali commerciali esistenti hanno una bassa permeabilità e una moderata selettività, rendendoli meno competitivi rispetto ad altri processi più energivori, dice Yan Xia, un assistente professore di chimica alla Stanford University, che non è stato coinvolto nella ricerca.

"Le membrane di questi polimeri mostrano una permeabilità molto elevata per diversi gas importanti a livello industriale, " Xia dice. "Inoltre, questi polimeri mostrano poca plastificazione indesiderata all'aumentare della pressione del gas, nonostante la loro spina dorsale relativamente flessibile, rendendoli i materiali desiderati per le separazioni legate all'anidride carbonica."

I ricercatori stanno ora progettando di effettuare uno studio sistematico della chimica e della struttura delle spazzole, per indagare su come ciò influisca sulle loro prestazioni, Lui dice.

"Stiamo cercando la chimica e la struttura più efficaci per aiutare il processo di separazione".

Il team spera anche di studiare l'uso dei loro progetti di membrane in altre applicazioni, compresa la cattura e lo stoccaggio del carbonio, e anche nella separazione di liquidi.