.jpg)
Ученые из Технологического университета Эйндховена в Нидерландах и Болонского университета в Италии предложили экологически чистый способ производства углеродных мембран. Этот важное оборудование для водородной энергетики позволяет эффективно и с низкими энергетическими затратами отделять водород от метана, азота и других газов в процессах переработки топлива.
Сами по себе углеродные мембраны давно считаются перспективной технологией, однако их промышленное внедрение сдерживают особенности производства. На ключевой стадии формирования мембраны требуются опасные органические растворители, многие из которых плохо разлагаются в окружающей среде и постепенно выводятся из оборота. Таким образом, масштабирование мембранных технологий становится все более сложным и дорогим на фоне ужесточения экологических требований.
Ученые занялись поиском более безопасных и устойчивых аналогов. В качестве альтернатив были выбраны γ-валеролактон и дигидролевоглюкозенон, известный под торговым названием CyreneTM. Оба вещества получают из возобновляемого сырья, включая целлюлозу, а по своим физико-химическим свойствам они близки к привычным растворителям, что позволяет эффективно работать с фенольными смолами, из которых после термообработки формируются углеродные мембраны. Новые растворители менее токсичны, обладают более высокой температурой вспышки и лучше соответствуют требованиям промышленной безопасности.
Наиболее заметные результаты показала мембрана, изготовленная с использованием γ-валеролактона. После оптимизации режима пиролиза, включавшей дополнительную изотермическую выдержку при 400 oC, она по ряду параметров превзошла даже образец, полученный с применением токсичного растворителя. При комнатной температуре селективность по паре водород-метан достигла значения 340, а по паре водород-азот она составила 270, при этом проницаемость водорода оставалась высокой. Мембраны на основе CyreneTM также оказались работоспособными, но продемонстрировали более скромные показатели разделения.
Чтобы понять причины такого различия, ученые детально проанализировали структуру полученных материалов. С помощью пермпорометрии они изучили распределение пор в мембранах и обнаружили, что размер около 85,6% пор мембраны на основе γ-валеролактона не превышает 0,6 нм. Именно такие поры наиболее эффективно работают в качестве молекулярного сита, пропуская маленькие молекулы водорода и задерживая более крупные молекулы метана и азота.
Спектроскопические исследования подтвердили, что выбор растворителя влияет не только на размер пор, но и на химический состав и степень упорядоченности углеродной матрицы после пиролиза.
Дальнейшие планы ученых связаны с переходом от лабораторных экспериментов к более реалистичным условиям эксплуатации. Они намерены испытать мембраны на смешанных газовых потоках, содержащих одновременно водород, метан, азот и CO2, расширить температурный диапазон испытаний и провести длительные тесты на стабильность. Кроме того, рассматривается возможность дополнительного повышения селективности за счет внедрения в углеродную матрицу металлических наночастиц, избирательно взаимодействующих с водородом.
