Yeni membran materyali, toksik solventlere (çözücülere) ihtiyaç duymadan; kirliliği daha çok ortadan kaldırmaya yardımcı oluyor.
Doğalgaz ve biyogaz; kömür ve yağ ile karşılaştırıldığında daha temiz ve daha verimli yanma süreci sayesinde, son yıllarda dünya çapında giderek, daha popüler bir enerji kaynağı haline geldi. Bununla birlikte, gaz içindeki karbondioksit gibi kirletici maddelerin varlığı, yakıt olarak yakılmadan önce saflaştırılması gerektiği anlamına gelir.
Doğalgazı saflaştırmak için geleneksel işlemler; tipik olarak toksik çözücülerin kullanılmasını içerir ve aşırı derecede enerji yoğundur. Sonuç olarak, araştırmacılar; membranların doğalgazdaki yabancı maddeleri daha uygun maliyetli ve çevre dostu bir şekilde almanın bir yolu olarak kullanımını araştırıyorlar. Ancak şimdiye kadar, gazları hızlı ve etkili bir şekilde ayırabilen bir polimer malzemesi bulmak çok zordu.
Advanced Materials Dergisi’nde yayınlanan bir makalede, MIT araştırmacıları; doğal etkilerin verimliliğini önemli ölçüde artırabilirken, çevresel etkilerini azaltan yeni bir polimer membran türü tanımladılar.
Membran; MIT disiplinlerarası bir araştırma ekibi tarafından tasarlandı. MIT’deki Kimya Bölümü’nden mezun Yuan He’ye göre, membran; doğal gazları geleneksel malzemelerden çok daha hızlı bir şekilde işleme kapasitesine sahip.
He: “Tasarımımız; çok daha fazla karbondioksiti kaldırarak, daha kısa sürede çok daha fazla doğal gazı işleyebilir.”
Joseph R. Mares Kariyer Geliştirme ve MIT Kimya Mühendisliği Profesörü Zachary Smith: “Mevcut membranlar tipik olarak doğrusal polimer telleri kullanılarak yapılır. Bunlar moleküler seviyede pişmiş erişte gibi görünen, uzun zincirli polimerlerdir. Bu pişmiş erişteleri daha sert hale getirebilir ve böylece paketleme yapısını değiştiren erişte ile moleküllerin nüfuz edebileceği boşluklar arasında boşluklar yaratabilirsiniz.”
Bununla birlikte, bu malzemeler; karbon dioksit moleküllerinin mevcut arıtma işlemleriyle rekabet edebilecek kadar hızlı bir şekilde geçmesine izin verecek kadar gözenekli değildir.
Araştırmacılar; uzun polimer zincirleri kullanmak yerine, iplikçiklerin saç telleri gibi göründüğü, her iplikçikte küçük kıllar bulunan zarlar tasarladılar. Bu kıllar polimerlerin gazları çok daha etkili bir şekilde ayırmalarını sağlar.
Smith: “Saç fırçası üzerindeki kılları ayarlayabildiğimiz yeni bir tasarım stratejimiz var, bu da malzemeyi tam ve sistematik olarak ayarlamamızı sağlıyor. Bunu yaparken; seçici ve son derece geçirgen membranlar oluşturmak için, hassas subnanometre boşlukları oluşturabilir ve ihtiyaç duyduğumuz etkileşim türlerini sağlayabiliriz.”
Araştırmacılar, deneylerde; zarın plastikleşmeden, zarar görmeden 51 bara kadar eşi görülmemiş karbon dioksit besleme basınçlarına dayanabildiğini belirtti. Bu, en iyi performans gösteren malzemeler için yaklaşık 34 bar ile karşılaştırılır. Ayrıca membran; takıma göre, geleneksel membranlardan 2.000 ila 7.000 kat daha geçirgen.
Yan zincirler veya “kıllar” polimerize edilmeden önce, tasarlanabildiklerinden, Mühendis Benedetti’ye göre polimere çeşitli fonksiyonların dahil edilmesi de çok daha kolay.
Benedetti: “Malzemenin performansı, önceden tasarladığımız yan zincirlerde veya fırçalarda çok ince değişiklikler yaparak ayarlanabilir. Bu çok önemli, çünkü çok ince uygulamaları yaparak çok farklı uygulamaları hedef alabiliyoruz.”
Dahası, araştırmacılar; saç fırçası polimerlerinin, diğer membranların bozulmasına neden olacak koşullara daha iyi dayanabileceklerini keşfetti.
Mevcut zarlarda, uzun zincirli polimer telleri; katı hal filmler oluşturmak üzere birbirine yapışarak birbirlerinin üzerine biner. Fakat zamanla polimer telleri birbirlerinin üzerine kaymakta ve fiziksel ve kimyasal bir dengesizlik yaratmaktadır.
Yeni membran tasarımında, aksine; polimer kılların tümü bir omurga görevi gören uzun zincirli bir iplikçik ile bağlanır. Sonuç olarak, tek tek kıllar hareket edemez ve daha stabil bir zar malzemesi oluşturur.
Smith; bu kararlılık, malzemeye plastikleşme olarak bilinen, polimerlerin karbon dioksit gibi agresif hammadde varlığında şiştiği, daha önce görülmemiş bir direnç sağladığını söylüyor.
Gaz ayırma için polimer membranların kullanılması, yüksek enerji verimliliği, minimum çevresel etki, basit ve sürekli çalışma sunar. Ancak mevcut ticari malzemeler düşük geçirgenliğe ve orta düzeyde seçiciliğe sahiptir, bu da diğer enerji yoğun süreçlere göre daha az rekabetçi olmasını sağlar.
Stanford Üniversitesi Kimya Profesörü Xia: “Bu polimerlerden gelen membranlar, endüstriyel açıdan önemli birkaç gaz için çok yüksek nüfuz sergiler. Ayrıca, nispeten esnek omurgalarına rağmen, karbondioksit ile ilgili ayrılmalar için istenen materyalleri yaptıklarından, gaz basıncı arttıkça, çok az istenmeyen plastikleşme sergilerler.”
Araştırmacılar, bunun performanslarını nasıl etkilediğini araştırmak için fırçaların kimyası ve yapısı hakkında sistematik bir çalışma yapmayı planlıyorlar. Ayırma işlemine yardımcı olmak için en etkili kimya ve yapıyı arıyorlar.
Ekip ayrıca; membran tasarımlarının karbon yakalama ve depolama dahil diğer uygulamalarda ve hatta sıvıları ayırmada kullanımını araştırmayı da umuyor.
