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I processi industriali per le separazioni chimiche, compresa la purificazione del gas naturale e la produzione di ossigeno e azoto per usi medici o industriali, sono collettivamente responsabili di circa il 15% del consumo energetico mondiale. Inoltre contribuiscono in misura corrispondente alle emissioni mondiali di gas serra. Ora, i ricercatori del MIT e della Stanford University hanno sviluppato un nuovo tipo di membrana per eseguire questi processi di separazione con circa 1/10 del consumo di energia e delle emissioni.
L'uso delle membrane per la separazione delle sostanze chimiche è noto per essere molto più efficiente di processi come la distillazione o l'assorbimento, ma c'è sempre stato un compromesso tra permeabilità, la velocità con cui i gas possono penetrare attraverso il materiale, e selettività, la capacità di lasciare le molecole desiderate passare bloccando tutti gli altri. Secondo i ricercatori, la nuova famiglia di materiali per membrane, basata su polimeri "a scala di idrocarburi", supera questo compromesso, fornendo sia un'elevata permeabilità che una selettività estremamente buona.
I risultati sono riportati sulla rivista Scienza , in un articolo di Yan Xia, professore associato di chimica a Stanford; Zachary Smith, assistente professore di ingegneria chimica al MIT; Ingo Pinnau, professore alla King Abdullah University of Science and Technology, e altri cinque.
La separazione dei gas è un processo industriale importante e diffuso i cui usi includono la rimozione di impurità e composti indesiderati dal gas naturale o dal biogas, la separazione dell'ossigeno e dell'azoto dall'aria per scopi medici e industriali, la separazione dell'anidride carbonica da altri gas per la cattura del carbonio e la produzione di idrogeno per l'uso come carburante per il trasporto senza emissioni di carbonio. Le nuove membrane polimeriche ladder promettono di migliorare drasticamente le prestazioni di tali processi di separazione. Ad esempio, separando l'anidride carbonica dal metano, queste nuove membrane hanno una selettività cinque volte superiore e una permeabilità 100 volte superiore rispetto alle membrane cellulosiche esistenti a tale scopo. Allo stesso modo, sono 100 volte più permeabili e tre volte più selettivi per separare l'idrogeno gassoso dal metano.
I nuovi tipi di polimeri, sviluppati negli ultimi anni dal laboratorio Xia, sono indicati come polimeri ladder perché sono formati da doppi fili collegati da legami a pioli e questi collegamenti forniscono un alto grado di rigidità e stabilità al materiale polimerico. Questi polimeri ladder sono sintetizzati tramite una chimica efficiente e selettiva sviluppata dal laboratorio Xia chiamata CANAL, acronimo di annullazione catalitica dell'arene-norbornene, che unisce sostanze chimiche prontamente disponibili nelle strutture della scala con centinaia o addirittura migliaia di pioli. I polimeri sono sintetizzati in una soluzione, dove formano fili rigidi e attorcigliati a forma di nastro che possono essere facilmente trasformati in un foglio sottile con pori su scala sub-nanometrica utilizzando processi di colata di polimeri disponibili a livello industriale. Le dimensioni dei pori risultanti possono essere regolate attraverso la scelta degli specifici composti di partenza degli idrocarburi. "Questa chimica e la scelta di elementi costitutivi chimici ci hanno permesso di realizzare polimeri per scale molto rigidi con diverse configurazioni", afferma Xia.
Per applicare i polimeri CANAL come membrane selettive, la collaborazione si è avvalsa dell'esperienza di Xia nei polimeri e della specializzazione di Smith nella ricerca sulle membrane. Holden Lai, un ex dottorando di Stanford, ha svolto gran parte dello sviluppo e dell'esplorazione dell'impatto delle loro strutture sulle proprietà di permeazione del gas. "Ci sono voluti otto anni dallo sviluppo della nuova chimica alla ricerca delle giuste strutture polimeriche che garantissero elevate prestazioni di separazione", afferma Xia.
Il laboratorio Xia ha trascorso gli ultimi anni variando le strutture dei polimeri CANAL per capire in che modo le loro strutture influenzano le loro prestazioni di separazione. Sorprendentemente, hanno scoperto che l'aggiunta di ulteriori pieghe ai loro polimeri CANAL originali migliorava significativamente la robustezza meccanica delle loro membrane e aumentava la loro selettività per molecole di dimensioni simili, come ossigeno e azoto, senza perdere la permeabilità del gas più permeabile. La selettività migliora effettivamente con l'invecchiamento del materiale. La combinazione di alta selettività e alta permeabilità fa sì che questi materiali superino tutti gli altri materiali polimerici in molte separazioni di gas, affermano i ricercatori.
Oggi, il 15 per cento dell'uso globale di energia va in separazioni chimiche e questi processi di separazione sono "spesso basati su tecnologie secolari", afferma Smith. "Funzionano bene, ma hanno un'enorme impronta di carbonio e consumano enormi quantità di energia. La sfida chiave oggi è cercare di sostituire questi processi non sostenibili". La maggior parte di questi processi richiede temperature elevate per l'ebollizione e il ribollimento delle soluzioni, e questi spesso sono i processi più difficili da elettrizzare, aggiunge.
Per la separazione dell'ossigeno e dell'azoto dall'aria, le due molecole differiscono per dimensioni solo di circa 0,18 angstrom (diecimiliardesimo di metro), dice. Realizzare un filtro in grado di separarli in modo efficiente "è incredibilmente difficile da fare senza ridurre il throughput". Ma i nuovi polimeri ladder, quando vengono trasformati in membrane, producono piccoli pori che raggiungono un'elevata selettività, dice. In alcuni casi, 10 molecole di ossigeno permeano per ogni azoto, nonostante il setaccio sottilissimo necessario per accedere a questo tipo di selettività dimensionale. Questi nuovi materiali per membrane hanno "la più alta combinazione di permeabilità e selettività di tutti i materiali polimerici conosciuti per molte applicazioni", afferma Smith.
"Poiché i polimeri CANAL sono forti e duttili e poiché sono solubili in determinati solventi, potrebbero essere scalati per l'implementazione industriale entro pochi anni", aggiunge. Una società spin-off del MIT chiamata Osmoses, guidata dagli autori di questo studio, ha recentemente vinto il concorso per l'imprenditorialità da 100.000 dollari del MIT ed è stata in parte finanziata da The Engine per commercializzare la tecnologia.
Ci sono una varietà di potenziali applicazioni per questi materiali nell'industria di trasformazione chimica, dice Smith, inclusa la separazione dell'anidride carbonica da altre miscele di gas come forma di riduzione delle emissioni. Un'altra possibilità è la purificazione del carburante biogas ottenuto dai rifiuti agricoli al fine di fornire carburante per il trasporto privo di emissioni di carbonio. Hydrogen separation for producing a fuel or a chemical feedstock, could also be carried out efficiently, helping with the transition to a hydrogen-based economy.
The close-knit team of researchers is continuing to refine the process to facilitate the development from laboratory to industrial scale, and to better understand the details on how the macromolecular structures and packing result in the ultrahigh selectivity. Smith says he expects this platform technology to play a role in multiple decarbonization pathways, starting with hydrogen separation and carbon capture, because there is such a pressing need for these technologies in order to transition to a carbon-free economy.
The research team also included Jun Myun Ahn and Ashley Robinson at Stanford, Francesco Benedetti at MIT, now the chief executive officer at Osmoses, and Yingge Wang at King Abdullah University of Science and Technology in Saudi Arabia. + Esplora ulteriormente
