الک های مولکولی کربن سلولزی برای جداسازی هیدروژن

تولید هیدروژن (H2) از گاز طبیعی یکی از بالقوه ترین فناوری ها برای انرژی کم کربن در آینده و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای محسوب می شود. در مقایسه با فناوری های تصفیه H معمولی، فناوری های جداسازی مبتنی بر غشا به دلیل بهره وری انرژی بالاتر و دوستی زیست محیطی مورد توجه گسترده ای قرار گرفته اند. با این حال، در حال حاضر معمولاً از غشاهای جداسازی H2 و CO2 استفاده می شود که معمولاً از عملکرد جداسازی پایین، هزینه بالا، و ثبات پایین تحت دمای بالا و فشار بالا رنج می برند. بنابراین، هنوز هم به چالش کشیدن برای آماده سازی غشای تصفیه H2 قابل دوام تجاری است. غشاهای الک مولکولی کربنی (CMS) با کربنیزاسیون کنترل شده پیش سازهای پلیمری در دماهای بالا ساخته می شوند و ساختارهای منافذ سفت و سخت دارند. هنگامی که غشای CMS به یک فیبر توخالی مناسب برای یک ماژول غشا ساخته می شود، انتظار می رود که خواص دمای بالا و مقاومت با فشار بالا را داشته باشد.
سلولز دارای پیوندهای هیدروژنی بین زنجیره ای و درون زنجیره ای قوی است که باعث می شود در بیشتر حلال ها محلول ضعیفی باشد، تنها چند حلال مانند N-متیل مورفولین-ان-اکسید (NMMO)، مایعات یونی و نمک های معدنی می توانند به طور مؤثری شبکه پیوند هیدروژنی خود را مختل کنند. با این حال، به دست آوردن یک دیاگرام فاز ترنری سلولز/حلال/غیر حلال دقیق، به دلیل ویسکوزیته عظیم این سیستم هنوز چالش برانگیز است.
بر این اساس، Xuezhong He و همکارانش از دانشگاه فناوری نروژ غشاهای فیبر توخالی کربن (CHFMs) را با تنظیم دمای جامد سازی و دمای نهایی کربنیزاسیون سیستم مایع/آب سلولز/یونی آماده کردند و از آن ها برای جداسازی H2 استفاده کردند.
محققان پیش سازهای فیبر توخالی سلولز نامتقارن را از طریق یک فرایند ریسندگی خشک و مرطوب آماده کردند، و سپس با آب رد و بدل شدند تا حلال اصلی EmimAc و DMSO را حذف کنند و در نهایت ساختار میکروپورو مربوطه را از طریق کربنیزاسیون با دمای بالا به دست آورد. از تصاویر SEM می توان دریافت که ساختارهای نامتقارن لایه انتخابی بیرونی و لایه پشتیبانی درونی متخلخل حدود ۳ میکرومتر هنوز زمانی که از دماهای مختلف کربنیزاسیون استفاده می شود، حفظ می شوند. CHFM-550 در پایین ترین دمای کربنیزاسیون کمترین سختی و مدول یانگ را دارد. با افزایش دمای کربنیزاسیون، سختی و مدول یانگ به تدریج افزایش می یابد. افزایش سختی و مدول را می توان به تغییرات ساختاری داخلی ناشی از افزایش دمای کربنیزاسیون نسبت داد. در عین حال با افزایش دمای کربنیزاسیون، منفذ به اوج خود می رسد > 5 Å ضعیف می شود، در حالی که منفذ به اوج خود می رسد غشاهای تهیه شده در دمای کربنیزاسیون بالاتر دارای انتخاب پذیری H2/CO2 بالاتری هستند، اما قابلیت ترامدی H2 پایین تر، که نشان می دهد که انتقال پذیری گاز عمدتاً با قطر حرکت مولکول های گاز، يعنی مکانيسم حمل و نقل الک مولکولی مشخص می شود. هنگامی که نسبت sp3/sp2 از ۰٫۷۳ به ۰٫۳۶ کاهش یافت، ترمی پذیری H2 از ۴۶۶٫۸ GPU به ۱۴۸٫۲ GPU کاهش یافت، در حالی که انتخاب پذیری H2/CO2 از ۱۱٫۱ به ۸۳٫۹ افزایش یافت که همچنین پیشنهاد کرد که عملکرد جداسازی گاز را می توان با تنظیم ساختار کربن کوک کرد. با توجه به حضور همزمان الک مولکولی و انتقال انتشار سطحی مولکول های CO2، انرژی فعال سازی ظاهری CO2 نسبت به H2 نسبتاً پایین تر است که نشان می دهد دما تأثیر بیشتری بر تغییرپذیری H2 دارد، بنابراین جذب CO2 پایین تر در دماهای بالاتر این امر منجر به افزایش انتخاب پذیری H2/CO2 می شود. هنگامی که غشا به مدت 50 روز در معرض جو آزمایشگاهی قرار گرفت، قابلیت ترامدی H2 و انتخاب H2/CO2 آن به ترتیب حدود 40 درصد و 10 درصد کاهش یافت و قابلیت ترامدی گاز و قابلیت ترامدی گاز پس از تصفیه حرارت و پاکسازی هلیوم به طور مؤثری ترمیم شد. اختیاری.
CHFM نمایشگاه انتخابی H2/CO2 عالی و قابلیت ترامدی H2 بالا در مقایسه با غشاهای دیگر، که CHFM-850 نشان می دهد بالاترین عملکرد جدایی گاز کلی با انتخاب ایده آل H2/CO2 83.9 در 130 درجه سانتی گراد، بیش از فیلم های غیر پلیمری است. در عین حال انتخاب پذیری CHFM-850 تا H2/N2 >800 و انتخاب پذیری H2/CH4 >5700 است که امکان تصفیه H2 را در برخی فرایندها فراهم می کند.
به طور خلاصه، این اثر یک ماده فیبر توخالی سلولز نامتقارن را با ریسندگی سلولز میکروکریستالی و EmimAc تولید کرد. الیاف توخالی سلولز به دست آمده در دمای بالا کربنیزه می شوند تا غشاهای فیبر توخالی نامتقارن به دست آید که ساختار میکروپورور آن ها به آن ها کمک می کند تا H2 را از گازهای دیگر جدا کنند.