Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А. В. Топчиева РАН синтезировали мембранный материал, который с высокой избирательностью удаляет углекислый газ из газовых смесей. Разработка может найти применение при улавливании CO2 на теплоэлектростанциях. Результаты исследования опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.
Попадание газовых примесей в атмосферу можно предотвратить с помощью мембранных очищающих модулей, которые задерживают одни газы и пропускают другие. В таких модулях углекислый газ не попадает в воздух, а проходит через избирательно пропускающий его слой. Чем лучше газ проходит через мембрану, тем менее избирательно он улавливается из газовой смеси, пропускаемой через фильтр. И наоборот, если газ улавливается слишком избирательно, то сквозь толщу полимера проходит очень малое его количество, и фильтрация оказывается недостаточно эффективной. Поэтому ученые пытаются создать мембраны, в которых соблюдается баланс между избирательностью и проницаемостью для углекислого газа.
Свое решение этой задачи предложили ученые из Института нефтехимического синтеза РАН, которые синтезировали полимерный материал, позволяющий с высокой селективностью улавливать углекислый газ из газовой смеси. В качестве основы для полимера авторы взяли норборнен – органическое соединение, которое в зависимости от используемого при синтезе катализатора может образовывать полимеры, различающиеся по своей пространственной структуре. Однако не все полимеры на основе этого соединения обладают необходимыми качествами. Чтобы улучшить их газопроницаемость, ученые ввели в их структуру эпоксидные материалы, благодаря которым происходит избирательное пропускание углекислого газа.
Как правило, синтезированный таким образом норборнен быстро приходит в негодность при длительной эксплуатации. Ученым удалось решить эту проблему за счет каталитических систем, содержащих палладий, который позволяет получить стабильные полимеры с высокой термической и химической устойчивостью. Авторы исследования сравнили, насколько эффективно эпоксидированный полимер и вещество без эпоксидной группы разделяют смеси углекислого газа с азотом, кислородом или метаном. Оказалось, что после эпоксидирования проницаемость для метана и кислорода снизилась на 56% и 37% соответственно, а проницаемость для углекислого газа увеличилась в 2,5 раза. При этом селективность нового полимера выросла в 1,9-3,4 раза в сравнении с веществами, в которых не использовались эпоксидные материалы.
«У полимеров для газоразделительных мембран, как правило, есть баланс между проницаемостью по отношению к определенному газу и избирательностью его разделения относительно других газов в смеси. Чем выше проницаемость, тем ниже селективность. Самые высокопроизводительные полимеры в этой области «упираются» в своих показателях в определенную границу, связанную как раз с компромиссом между проницаемостью и селективностью. В ходе научных исследований разрабатываются новые полимеры, и эта граница постепенно повышается. Наш полимер «выбивается» за пределы существующей на сегодняшний день границы, оказываясь в 2–3 раза более производительным, чем аналоги», – цитирует Российский научный фонд кандидата химических наук, одного из авторов исследования Алену Возняк.
