مواد غشاء جديدة يمكن أن تجعل تنقية الغازات أكثر كفاءة بشكل كبير – ترجمة* محمد جواد آل السيد ناصر الخضراوي

New membrane material could make purification of gases significantly more efficient
(David L. Chandler – بقلم: ديفيد تشاندلير)

ملخص المقالة:
طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتقنية وجامعة ستانفورد وجامعة الملك عبدالله للعلوم والتقنية نوعا جديدا من الأغشية البوليمرية المستخدمة في عمليات الفصل الكيميائي الصناعية بما في ذلك تنقية الغاز الطبيعي وإنتاج الأكسجين والنيتروجين للاستخدامات الطبية أو الصناعية، المسؤولة عن استهلاك حوالي 15 في المائة من استخدام الطاقة في العالم؛ هذه الأغشية ستقلل استخدام الطاقة والانبعاثات الى العشر تقريبا. وهناك مجموعة متنوعة من التطبيقات المحتملة لهذه المواد في صناعة المعالجة الكيميائية، بما في ذلك فصل ثاني أكسيد الكربون عن مخاليط الغاز الأخرى كشكل من أشكال خفض الانبعاثات، وتنقية وقود الغاز الحيوي المصنوع من منتجات النفايات الزراعية من أجل توفير وقود نقل خال من الكربون، إضافة الى فصل الهيدروجين لإنتاج وقود أو مادة وسيطة كيميائية بكفاءة، مما يساعد في الانتقال إلى اقتصاد قائم على الهيدروجين.

( المقالة )

العمليات الصناعية للفصل الكيميائي، بما في ذلك تنقية الغاز الطبيعي وإنتاج الأكسجين والنيتروجين للاستخدامات الطبية أو الصناعية، مسؤولة بشكل جماعي عن حوالي 15 في المائة من استخدام الطاقة في العالم. كما أنها تساهم بكمية مقابلة في انبعاثات غازات الاحتباس الحراري في العالم. والآن، طور الباحثون في معهد ماساتشوستس للتقنية وجامعة ستانفورد نوعا جديدا من الأغشية لتنفيذ عمليات الفصل هذه بما يقرب من 1/10 من استخدام الطاقة والانبعاثات.

واستخدام الأغشية لفصل المواد الكيميائية معروف بأنه أكثر كفاءة بكثير من عمليات مثل التقطير أو الامتصاص، ولكن كانت هناك دائما مقايضة بين النفاذية – مدى سرعة اختراق الغازات للمادة – والانتقائية – القدرة على السماح للجزيئات المطلوبة بالمرور أثناء منع جميع الجزيئات الأخرى.

ويقول الباحثون إن الأسرة الجديدة من مواد الأغشية، القائمة على بوليمرات “سلم الهيدروكربون”، تتغلب على تلك المقايضة، مما يوفر نفاذية عالية وانتقائية جيدة للغاية.
وقد نشرت النتائج في مجلة “العلوم” (Science)، في ورقة بحثية كتبها البروفيسور يان شيا، أستاذ مشارك في الكيمياء في جامعة ستانفورد؛ والبروفيسور زكاري سميث، أستاذ مساعد في الهندسة الكيميائية في معهد ماساتشوستس للتقنية؛ والبروفيسور إنغو بيناو، أستاذ في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتكنولوجيا، وخمسة آخرين.
وفصل الغاز هو عملية صناعية مهمة وواسعة الانتشار تشمل استخداماتها إزالة الشوائب والمركبات غير المرغوب فيها من الغاز الطبيعي أو الغاز الحيوي، وفصل الأكسجين والنيتروجين عن الهواء للأغراض الطبية والصناعية، وفصل ثاني أكسيد الكربون عن الغازات الأخرى لالتقاط الكربون، وإنتاج الهيدروجين لاستخدامه كوقود نقل خال من الكربون.

وتظهر أغشية بوليمر السلم الجديدة وعدا بتحسين أداء عمليات الفصل هذه بشكل كبير. فعلى سبيل المثال، فصل ثاني أكسيد الكربون عن الميثان، هذه الأغشية الجديدة لديها خمسة أضعاف الانتقائية و 100 ضعف نفاذية الأغشية السليلوزية الموجودة لهذا الغرض. وبالمثل، فهي أكثر نفاذية 100 مرة وثلاث مرات انتقائية لفصل غاز الهيدروجين عن الميثان.
ويشار إلى النوع الجديد من البوليمرات، الذي طوره مختبر البروفيسور شيا على مدى السنوات القليلة الماضية، بإسم بوليمرات السلم لأنها تتكون من خيوط مزدوجة متصلة بروابط شبيهة بالدرجة، وتوفر هذه الروابط درجة عالية من الصلابة والاستقرار لمواد البوليمر.

ويتم تصنيع بوليمرات السلم هذه عبر كيمياء فعالة وانتقائية طورها مختبر البروفيسور شيا يسمى “كانال” (CANAL)، وهو اختصار لاحاطة الأرين نوربورن الحفازة، الذي يخيط المواد الكيميائية المتاحة بسهولة في هياكل السلم بمئات أو حتى آلاف الدرجات.

ويتم تصنيع البوليمرات في محلول، حيث تشكل خيوطا صلبة تشبه الشريط الغريب يمكن تحويلها بسهولة إلى صفيحة رقيقة بمسام على نطاق النانومتر باستخدام عمليات صب البوليمر المتاحة صناعيا. ويمكن ضبط أحجام المسام الناتجة من خلال اختيار مركبات البدء الهيدروكربونية المحددة. ويقول البروفيسور شيا: “سمحت لنا هذه الكيمياء واختيار لبنات البناء الكيميائية بصنع بوليمرات سلم صلبة للغاية بتكوينات مختلفة”.
ولتطبيق بوليمرات “كانال” كأغشية انتقائية، استخدم التعاون خبرة البروفيسور شيا في البوليمرات وتخصص البروفيسور سميث في أبحاث الأغشية.

وقام هولدن لاي، وهو طالب دكتوراه سابق في جامعة ستانفورد، بالكثير من التطوير والاستكشاف حول كيفية تأثير هياكلها على خصائص نفاذ الغاز. ويقول البروفيسور شيا: “استغرق الأمر منا ثماني سنوات من تطوير الكيمياء الجديدة إلى العثور على هياكل البوليمر المناسبة التي تمنح أداء فصل عالي”.
قضى مختبر البروفيسور شيا السنوات القليلة الماضية في تغيير هياكل بوليمرات “كانال” لفهم كيفية تأثير هياكلها على أداء فصلها. والمثير للدهشة أنهم وجدوا أن إضافة مكامن الخلل الإضافية إلى بوليمرات “كانال” الأصلية الخاصة بهم حسنت بشكل كبير المتانة الميكانيكية لأغشيتهم وعززت انتقائيتها للجزيئات ذات الأحجام المماثلة، مثل غازات الأكسجين والنيتروجين، دون أن تفقد نفاذية الغاز الأكثر نفاذية.

وتتحسن الانتقائية في الواقع مع تقدم العمر المادي. ويقول الباحثون إن الجمع بين الانتقائية العالية والنفاذية العالية يجعل هذه المواد تتفوق على جميع مواد البوليمر الأخرى في العديد من عمليات فصل الغاز.
ويقول البروفيسور سميث: “إن 15 في المائة من استخدام الطاقة العالمي يذهب اليوم إلى عمليات الفصل الكيميائي، وتستند عمليات الفصل هذه في كثير من الأحيان إلى تقنيات عمرها قرن من الزمان”. ويتابع: “إنها تعمل بشكل جيد، ولكن لديها بصمة كربونية هائلة وتستهلك كميات هائلة من الطاقة. التحدي الرئيسي اليوم هو محاولة استبدال هذه العمليات غير المستدامة”. ويضيف أن معظم هذه العمليات تتطلب درجات حرارة عالية لمحلول الغليان وإعادة الغليان، وغالبا ما تكون هذه أصعب العمليات للكهربة.
ويقول إنه لفصل الأكسجين والنيتروجين عن الهواء، يختلف الجزيئان فقط في الحجم بنحو 0.18 أنغستروم (عشرة مليارات من المتر). وجعل مرشح قادر على فصلها بكفاءة “صعب للغاية القيام به دون تقليل الإنتاجية”.

ولكن بوليمرات السلم الجديدة، عند تصنيعها في أغشية، تنتج مسام صغيرة تحقق انتقائية عالية، كما يقول. وفي بعض الحالات، تتخلل 10 جزيئات أكسجين لكل نيتروجين، على الرغم من المنخل النحيف (نحافة موس الحلاقة) اللازم للوصول إلى هذا النوع من انتقائية الحجم.

يقول البروفيسور سميث إن هذه المواد الغشائية الجديدة لديها “أعلى مزيج من النفاذية والانتقائية لجميع المواد البوليمرية المعروفة للعديد من التطبيقات”.
ويضيف: “نظرا لأن بوليمرات “كانال” قوية ومرنة (قابلة للسحب)، ولأنها قابلة للذوبان في بعض المذيبات، يمكن تحجيمها للنشر الصناعي في غضون بضع سنوات”. وفازت شركة تابعة لمعهد ماساتشوستس للتقنية تدعى “أوزموسيس” (osmoses)، بقيادة مؤلفي هذه الدراسة، مؤخرا بمسابقة ريادة الأعمال في معهد ماساتشوستس للتقنية بقيمة 100 ألف دولار وتم تمويلها جزئيا من قبل “المحرك” (The Engine) [شركة رأس مال استثمارية في كامبريدج، ماساتشوستس] لتسويق التقنية.
ويقول البروفيسور سميث إن هناك مجموعة متنوعة من التطبيقات المحتملة لهذه المواد في صناعة المعالجة الكيميائية، بما في ذلك فصل ثاني أكسيد الكربون عن مخاليط الغاز الأخرى كشكل من أشكال خفض الانبعاثات. والاحتمال الآخر هو تنقية وقود الغاز الحيوي المصنوع من منتجات النفايات الزراعية من أجل توفير وقود نقل خال من الكربون. ويمكن أيضا فصل الهيدروجين لإنتاج وقود أو مادة وسيطة كيميائية بكفاءة، مما يساعد في الانتقال إلى اقتصاد قائم على الهيدروجين.
ويواصل فريق الباحثين المتماسك تحسين العملية لتسهيل التطوير من المختبر إلى النطاق الصناعي، وفهم التفاصيل بشكل أفضل حول كيفية قيام الهياكل الجزيئية الكبيرة وتعبئة النتائج إلى الانتقائية الفائقة.

ويقول البروفيسور سميث إنه يتوقع أن تلعب تقنية المنصة هذه دورا في مسارات متعددة لإزالة الكربون، بدءا من فصل الهيدروجين واحتجاز الكربون، لأن هناك حاجة ملحة لهذه التقنيات من أجل الانتقال إلى اقتصاد خال من الكربون.
وضم فريق البحث أيضا الدكتور جون ميون آن وآشلي روبنسون في ستانفورد والدكتور فرانشيسكو بينيديتي في معهد ماساتشوستس للتقنية، وهو الآن الرئيس التنفيذي في أوزموس، والبروفيسور يينغ وانغ في جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية في المملكة العربية السعودية.

*تمت الترجمة بتصرف

المصدر:

https://phys.org/news/2022-03-membrane-material-purification-gases-significantly.html

لمزيد من المعلومات: هولدن لاي وآخرون، Hydrocarbon Ladder Polymers with Ultrahigh Permselectivity for Membrane Gas Separations, Science (2022). DOI: 10.1126/science.abl7163. www.science.org/doi/10.1126/science.abl7163