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目前正在開發(fā)的許多很有前途的技術(shù)可以減少能源消耗，或在生物技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、納米技術(shù)、材料科學(xué)等領(lǐng)域獲取碳。雖然不是所有的事情都會(huì)被證明是可行的，但是只需要一點(diǎn)資金和培養(yǎng)，許多人就可以幫助解決這個(gè)星球的巨大挑戰(zhàn)。
一種這樣的解決方案正在從工業(yè)分離過程的新方法中出現(xiàn)。在麻省理工學(xué)院化學(xué)工程系，ZacharySmith教授正在研究新的聚合物膜，這種膜可以大大減少化學(xué)分離中的能源使用。他還正在進(jìn)行更深入的提高納米級(jí)金屬有機(jī)框架(MOFs)聚合物膜性能的研究。
JosephRMares(1924)化學(xué)工程職業(yè)發(fā)展助理教授ZacharySmith。來源：DavidSella
“我們不僅從運(yùn)輸、熱力學(xué)和反應(yīng)性的基本原理出發(fā)制作和分析材料，而且我們開始將這些知識(shí)用于創(chuàng)建模型和設(shè)計(jì)新的分離性能的材料，這是以前從未取得過的。”Smith說。“仔細(xì)想想，從實(shí)驗(yàn)室到大規(guī)模生產(chǎn)以及它對(duì)社會(huì)造成的影響，這是令人興奮的。”
史密斯經(jīng)常與對(duì)分離技術(shù)有見解的行業(yè)專家交流。盡管美國退出2015年的巴黎氣候協(xié)議，但是到目前為止此協(xié)議仍然保持法律效力。史密斯主要關(guān)注的化學(xué)和石化工業(yè)開始感受到減排壓力。用于分離的加熱和冷卻塔需要相當(dāng)大的能量，并且建造和維護(hù)成本高昂，因此該行業(yè)也在尋求降低成本的方式。
史密斯表示，化學(xué)和石油化工行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)過程消耗了美國總能源的四分之一到三分之一，而工業(yè)分離則占據(jù)了其中一半的能源消耗。大約一半的分離能源來自精餾，這一過程需要極強(qiáng)的熱量，或者在低溫蒸餾的情況下，甚至是更耗能的極端冷卻下完成。
“這需要大量的能量來沸騰和再沸騰混合物，而且效率更低，因?yàn)樗枰嘧儭?rdquo;史密斯說。“膜分離技術(shù)可以避免這些相變，并且使用更少的能量。聚合物可以是無缺陷的，你可以把它們澆鑄成選擇性的，足以覆蓋一個(gè)足球場的100納米厚的薄膜。”
然而還有很多困難存在。膜分離僅用于工業(yè)氣體分離過程的一小部分，因?yàn)榫酆衔锬?ldquo;通常效率低下，不能與蒸餾性能相匹配。”史密斯說。“目前的膜不能提供足夠的生產(chǎn)量(稱為助熔劑)用于高容量應(yīng)用，而且當(dāng)使用更具侵蝕性的進(jìn)料流時(shí)，它們的化學(xué)和物理性質(zhì)都不穩(wěn)定。”
這些性能問題大多都是由于聚合物趨于無定形態(tài)或熵混亂的現(xiàn)象引起的。“聚合物易于加工形成有用的幾何形狀，但分子可以通過聚合物膜移動(dòng)的距離隨時(shí)間而變化。”史密斯說。“很難控制多孔態(tài)內(nèi)部的自由體積。”
要求最嚴(yán)格的可選分離尺寸只有幾分之一埃分子。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，史密斯實(shí)驗(yàn)室正試圖在聚合物中添加納米級(jí)特征和化學(xué)功能，以實(shí)現(xiàn)更細(xì)粒度的分離。史密斯說，“新材料可以‘吸收一種分子并拒絕另一種分子’。”。
為了創(chuàng)造更高通量和更高選擇性的聚合物膜，史密斯的團(tuán)隊(duì)正將麻省理工學(xué)院實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的新型聚合物與模板有序結(jié)構(gòu)反應(yīng)成傳統(tǒng)無序的無定形聚合物。正如他解釋的那樣，“然后，我們用一種納米尺寸的口袋進(jìn)行合成后處理，形成擴(kuò)散路徑。”
盡管史密斯實(shí)驗(yàn)室在許多技術(shù)上取得了成功，但實(shí)現(xiàn)高容量應(yīng)用所需的通量仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。由于化學(xué)和石化工業(yè)使用了200多種不同類型的蒸餾分離工藝，這使得問題變得復(fù)雜。然而，這也是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，當(dāng)引進(jìn)新技術(shù)時(shí)，研究人員可以尋找利基，而不是試圖一夜之間改變行業(yè)。
“我們正在尋找最具影響力的目標(biāo)。”史密斯說。“我們的薄膜技術(shù)占地面積小，因此您可以在偏遠(yuǎn)地區(qū)或海上石油平臺(tái)上使用它們。”
由于薄膜體積小，重量輕，所以飛機(jī)上已經(jīng)使用膜從空氣中分離氮?dú)?。然后將氮?dú)庥糜谕坑拖湟员苊獗?。在偏遠(yuǎn)的天然氣井中，膜也被用于去除二氧化碳，并且已經(jīng)在一些較大的石化應(yīng)用(例如氫氣去除)中找到了合適的位置。
史密斯的目標(biāo)是擴(kuò)大到低溫蒸餾塔的裝備上去，這需要巨大的能量來產(chǎn)生極端冷卻。在石油化學(xué)工業(yè)中，包括乙烯-乙烷，氮-甲烷和空氣的分離。許多塑料消費(fèi)品是由乙烯制成的，因此降低制造過程中的能源成本可以帶來巨大的收益。
“通過低溫蒸餾，不僅要分離大小相近且熱力學(xué)性質(zhì)相近的分子。”史密斯說：“蒸餾塔的高度可以達(dá)到200或300英尺，流速非常高，因此分離的成本可能高達(dá)數(shù)十億美元，保持真空和在-120攝氏度下操作系統(tǒng)所需的能量是巨大的。
聚合物膜的其他潛在應(yīng)用包括“尋找其他方法從氮?dú)饣蚣淄橹腥コ趸蓟蚍蛛x不同類型的石蠟或化學(xué)原料。”史密斯說道。
碳捕獲和封存也是潛在應(yīng)用范圍。他說：“如果今天有二氧化碳捕獲的經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)力，那么碳捕集量將是膜的最大用量乘以10倍。我們可以制造一種吸收二氧化碳的海綿狀材料，并有效地將其分離，以便將其加壓并將其儲(chǔ)存在地下。”
在氣體分離中使用聚合物膜時(shí)的一個(gè)挑戰(zhàn)是聚合物通常由碳?xì)浠衔镏瞥伞Ｊ访芩拐f：“如果你的聚合物中含有相同類型的碳?xì)浠衔锍煞?，那么你試圖分離的聚合物會(huì)膨脹，溶解或失去分離性能。我們希望將非烴類組分如氟引入到聚合物中，以便使膜與烴基混合物更好地相互作用。”
史密斯也正在嘗試向聚合物添加MOFs(金屬有機(jī)骨架化合物)。通過將金屬離子或金屬團(tuán)簇與有機(jī)連接體連接在一起形成的MOFs不僅可以解決碳?xì)浠衔飭栴}，而且還可以解決熵紊亂問題。
“MOFs材料讓你形成一個(gè)，兩個(gè)，或是永久多孔的三維晶體結(jié)構(gòu)。”史密斯說。“一茶匙MOFs有一個(gè)足球場的內(nèi)表面積那么大，所以你可以考慮功能化MOFs的內(nèi)表面來選擇性地結(jié)合或拒絕某些分子，也可以定義孔的形狀和幾何形狀以允許一個(gè)分子通過而另一個(gè)被拒絕。”
與聚合物不同，MOFs結(jié)構(gòu)通常不會(huì)改變形狀，所以隨著時(shí)間的推移，孔洞維持的更持久。另外Smith說：“它們不像某些聚合物那樣通過老化過程降解。我們面臨的挑戰(zhàn)是如何將晶體材料納入可以制成薄膜的工藝中，我們正在采取的一種方法是將MOFs作為納米顆粒分散到聚合物中，這樣可以讓你在保持MOFs的同時(shí)，充分利用MOFs的效率和生產(chǎn)率。”
引入MOFs增強(qiáng)聚合物膜的一個(gè)潛在優(yōu)勢(shì)是工藝強(qiáng)化：在一個(gè)步驟中捆綁不同的分離或催化過程以實(shí)現(xiàn)更高的效率。史密斯說：“你可以考慮合并一種能夠分離混合氣體并允許混合物同時(shí)進(jìn)行催化反應(yīng)的MOFs材料。一些MOFs也可以作為交聯(lián)劑，而不是使用直接交聯(lián)在一起的聚合物。你可以在分散于聚合物基質(zhì)中的MOFs顆粒之間建立聯(lián)系，這將為分離創(chuàng)造更多的穩(wěn)定性。”
由于其多孔性質(zhì)，MOFs有可能被用于“捕獲氫氣，甲烷，甚至在某些情況下可以用來捕捉二氧化碳。
”史密斯說。“如果制造出正確類型的海綿狀結(jié)構(gòu)，可以獲得很高的吸收率。然而，找到能夠以非常高的容量有選擇性地粘合這些組件之一的材料是一個(gè)挑戰(zhàn)。”
類似的MOFs應(yīng)用是將儲(chǔ)存氫氣或天然氣給汽車加油。史密斯說：“在燃料箱中使用多孔材料可以讓你容納更多的氫氣或甲烷。
史密斯警告說道，MOFs研究可能需要數(shù)十年才能取得成果。然而他的實(shí)驗(yàn)室聚合物研究還有很長的路要走，預(yù)計(jì)未來五到十年內(nèi)將會(huì)有商業(yè)解決方案。
他說：“這項(xiàng)研究可能是一個(gè)真正的游戲改變者。”
