Новая система, разработанная инженерами-химиками из Массачусетского технологического института, могла бы обеспечить непрерывное удаление углекислого газа из потока отходящих газов или даже из воздуха. Ключевым компонентом является электрохимически поддерживаемая мембрана, проницаемость которой для газа может включаться и выключаться по желанию, не используя движущихся частей и относительно мало энергии.

Сами мембраны, изготовленные из анодированного оксида алюминия, имеют ячеистую структуру, состоящую из шестиугольных отверстий, которые позволяют молекулам газа входить и выходить в открытом состоянии. Однако проход газа может быть заблокирован, когда тонкий слой металла электрически осаждается, чтобы покрыть поры мембраны. Эта работа описана в журнале Science Advances, в статье профессора Т. Алан Хаттон, постдок Яюань Лю и еще четверо.

Этот новый механизм "газового затвора" может быть применен для непрерывного удаления углекислого газа из ряда промышленных выхлопных газов и из окружающего воздуха, говорит команда. Они построили устройство доказательства концепции, чтобы показать этот процесс в действии.

В устройстве используется редокс-активный углеродопоглощающий материал, зажатый между двумя переключаемыми газовыми литниковыми мембранами. Сорбент и литниковые мембраны находятся в тесном контакте друг с другом и погружены в органический электролит, чтобы обеспечить среду для перемещения ионов цинка взад и вперед. Эти две стробирующие мембраны могут быть открыты или закрыты электрически путем переключения полярности напряжения между ними, заставляя ионы цинка перемещаться с одной стороны на другую. Ионы одновременно блокируют одну сторону, образуя над ней металлическую пленку, а другую открывают, растворяя ее пленку.

Когда слой сорбента открыт в сторону, где проходят отходящие газы, материал легко впитывает углекислый газ, пока не достигнет своей емкости. Затем напряжение можно переключить, чтобы заблокировать питающую сторону и открыть другую сторону, где выделяется концентрированный поток почти чистого углекислого газа.

Построив систему с чередующимися участками мембраны, которые работают в противоположных фазах, система позволит обеспечить непрерывную работу в таких условиях, как промышленный скруббер. В любой момент времени половина секций будет поглощать газ, в то время как другая половина будет выпускать его.

"Это означает, что у вас есть поток подачи, поступающий в систему с одного конца, и поток продукта, выходящий из другого в якобы непрерывной работе", - говорит Хаттон. "Этот подход позволяет избежать многих технологических проблем", которые были бы вовлечены в традиционную многоколоночную систему, в которой адсорбционные слои попеременно должны быть закрыты, продуты, а затем регенерированы, прежде чем снова подвергнуться воздействию питательного газа, чтобы начать следующий цикл адсорбции. В новой системе этапы продувки не требуются, и все они выполняются чисто внутри самого устройства.

Ключевым нововведением исследователей было использование гальваники как способа открывать и закрывать поры в материале. Попутно ученые испробовали множество других подходов к обратимому закрытию пор в мембранном материале, таких как использование крошечных магнитных сфер, которые могут быть расположены так, чтобы блокировать воронкообразные отверстия, но эти другие методы оказались недостаточно эффективными. Металлические тонкие пленки могут быть особенно эффективны в качестве газовых барьеров, а ультратонкий слой, используемый в новой системе, требует минимального количества цинкового материала, который является обильным и недорогим.

"Это делает очень равномерный слой покрытия с минимальным количеством материалов", - говорит Лю. Одним из существенных преимуществ гальванического метода является то, что после изменения состояния, будь то в открытом или закрытом положении, для поддержания этого состояния не требуется никаких затрат энергии. Энергия требуется только для того, чтобы снова переключиться.

Потенциально такая система могла бы внести важный вклад в ограничение выбросов парниковых газов в атмосферу и даже прямого улавливания углекислого газа, который уже был выброшен в атмосферу.

В то время как первоначальное внимание команды было сосредоточено на проблеме отделения углекислого газа от потока газов, система фактически может быть адаптирована к широкому спектру химических процессов разделения и очистки, говорит Хаттон.

- Мы очень взволнованы по поводу стробирующего механизма. Я думаю, что мы можем использовать его в самых разных приложениях, в разных конфигурациях", - говорит он. - Может быть, в микрофлюидных устройствах, или, может быть, мы могли бы использовать его для контроля состава газа для химической реакции. Есть много разных возможностей."

ИСТОЧНИК