Vodik je postao jedna od ključnih komponenti tranzicija energijeAli njegov najveći izazov ne leži toliko u njegovoj proizvodnji koliko u njegovom istinskom prečišćavanju. U praksi, obično dolazi pomiješan s drugim plinovima poput metana ili ugljičnog dioksida, a njegovo precizno odvajanje uključuje skupe, spore i energetski vrlo intenzivne procese.
U tom kontekstu, grupa istraživača iz Instituta za nauku o materijalima u Madridu (ICMM-CSIC) napravila je važan korak: dizajnirali su nova membrana za prečišćavanje vodonika sposobne su da udeseterostruko povećaju efikasnost u poređenju sa standardnim komercijalnim membranama, a istovremeno smanje vrijeme proizvodnje sa nekoliko dana na samo nekoliko sati.
Molekularni filter koji narušava klasičnu ravnotežu između brzine i preciznosti
Membrane funkcioniraju kao nanoskala sitoOni djeluju kao selektivna barijera koja omogućava prolaz određenim molekulama, dok blokiraju druge. U slučaju vodika, klasični tehnički izazov leži u održavanju ravnoteže između dva parametra koji su gotovo uvijek u međusobnom sukobu: propusnost (koliko plina prolazi kroz materijal po jedinici vremena) i selektivnost (njegova sposobnost razlikovanja različitih plinova).
Tipično, kada se brzina koraka poveća, kapacitet separacije se pogoršavai obrnuto. Međutim, rezultati ICMM-CSIC-a, objavljeni u časopisu Journal of Membrane Science, pokazuju da ova nova membrana miješane matrice uspijeva istovremeno poboljšati oba aspekta: povećava propusnost vodika za više od 800% i povećava selektivnost za oko 30% u poređenju s komercijalnim polisulfonskim membranama.
Ovaj skok u performansama znači da vodonik prolazi kroz membranu mnogo brže bez žrtvovanja čistoće rezultirajućeg gasa, što je posebno relevantno za primjene koje zahtijevaju vodonik visoke čistoće, kako gorivne ćelije ili određeni petrohemijski procesi.
Ključ: posebno dizajnirana, porozno ispunjena polisulfonska matrica
Da bi se postigle ove poboljšane performanse, istraživački tim je započeo s materijalom koji je dobro poznat u industriji: polisulfonVrlo stabilan termoplastični polimer koji se široko koristi u sistemima za filtraciju. Na osnovu toga, ugrađena je porozna komponenta koja djeluje kao "aktivno punilo" unutar membrane.
Ovo punilo je bazirano na krutoj strukturi tipa truksena, sposobnoj za formiranje hiper-umreženi polimeri s ogromnom unutrašnjom površinomMehanika je relativno jednostavna za objasniti: ove pore funkcioniraju kao mreža mikroskopskih tunela koji nude preferencijalne rute prolaza za vodik, čija je molekula mnogo manja od molekule drugih plinova poput metana ili ugljičnog dioksida.
Uvođenjem ovog poroznog praha u polisulfonsku matricu, sprečava se previše uredno pakovanje polimernih lanaca. Ovaj "kontrolisani poremećaj" povećava takozvani udio slobodnog volumena, odnosno količinu malih praznina dostupnih u strukturi gdje se molekule gasa mogu kretati. U praksi, ovo generiše... interna mreža kanala što olakšava protok vodika i usporava prolaz većih molekula.
Prema vodećoj istraživačici Evi Mayi, membrana mora istovremeno odoljeti pritisku vodika i zadržati određenu elastičnost kako bi se izbjeglo pucanje u stvarnim radnim uslovima. Studija ICMM-CSIC pokazuje da se, sa opterećenjem od oko 30% ovog poroznog punjenja, postiže optimalna ravnoteža između ekstremne propusnosti i mehaničke otpornosti.
Iznad tog procenta, materijal ima tendenciju da postane previše krhak, gubeći fleksibilnost i ugrožavajući svoju upotrebu u zahtjevnim industrijskim okruženjima. Ovo ograničenje postavlja standarde za budući razvoj i potencijalno skaliranje do geometrija kao što su šuplja vlakna, koja se obično koriste u postrojenjima za separaciju gasova.
Mehanohemija: proizvodnja za tri sata ono što je prije trajalo tri dana
Pored samih performansi membrane, jedan od najupečatljivijih aspekata projekta je metoda proizvodnje poroznih komponentiUmjesto pribjegavanja tradicionalnoj hemiji rastvora - koja obično uključuje velike količine rastvarača i duga vremena reakcije - tim je koristio mehanohemijsku sintezu.
Ova tehnika uključuje uvođenje hemijskih prekursora u kuglični mlin, gdje mehanički udar prisiljava reakcije bez potrebe za tekućim medijem. Rezultat je porozni materijal s čistim porama, bez ostataka rastvarača i krutom strukturom koja održava svoju... otvorena poroznost za prolaz gasova.
Zahvaljujući ovom pristupu, sinteza poroznih punila prelazi s otprilike tri dana tradicionalnim metodama na samo tri sata. To jest, Prozor za proizvodnju je drastično smanjen., nešto ključno kada se razmišlja o industrijsko skaliranje i troškove.
Pored uštede vremena, mehanohemija značajno smanjuje upotrebu toksičnih rastvarača i, posljedično, stvaranje opasnog otpada povezanog s proizvodnjom naprednih materijala. Sa stanovišta zaštite okoliša, to znači da se sama tehnologija prečišćavanja vodonika oslanja na mnogo čistiji proizvodni proces.
Prema riječima onih koji su odgovorni za studiju, ovaj pristup čini novu membranu posebno atraktivnim prijedlogom za industriju: ona omogućava ne samo efikasnije prečišćavanje vodonikaali i proizvesti filterski materijal s nižom potrošnjom energije i povoljnijim ekološkim profilom.
Utjecaj na industriju i uklapanje u europsku strategiju za vodik
Vodik je već esencijalna sirovina u sektorima kao što su petrohemijska industrija, rafiniranje i proizvodnja amonijakagdje se koristi u velikim razmjerima. Međutim, u mnogim od ovih procesa se i dalje koristi vodik iz fosilnih goriva, čije kondicioniranje zahtijeva energetski intenzivne faze pročišćavanja.
Membrana sposobna da multiplikuje efikasnost ovog procesa prečišćavanja može promijeniti nekoliko kritičnih tačaka u lancu: smanjenje potrošnje energije pri odvajanju gasa, povećanje stepena čistoće u manjem broju koraka i pojednostavljenje trenutno složenih procesnih shema. Sve ovo doprinosi snižavanju konačne cijene vodonika, posebno tzv. zeleni vodonik proizvedeno elektrolizom, koje također zahtijeva daljnju obradu prije upotrebe.
Ovaj razvoj događaja također dolazi u vrijeme kada Evropa ubrzava svoj strategija za vodonik kao alat za dekarbonizaciju aktivnosti koje je teško elektrifikovati, kao što su teški transport, određene grane hemijske industrije ili proizvodnja čelika. U tom kontekstu, poboljšanje proizvodnje nije dovoljno: optimizacija je neophodna. cijeli lanac vrijednosti, uključujući prečišćavanje i kondicioniranje plina.
Tehnologija razvijena u ICMM-CSIC-u uklapa se u ovu širu viziju. Kombinacijom efikasnije membrane s održivijim procesom sinteze, nudi se rješenje koje se bavi i operativnim troškovima i utjecajem na okoliš same infrastrukture za separaciju plinova.
Autori studije ističu da industrijska skalabilnost i dalje zahtijeva dodatne korake, ali naglašavaju da pristup pokazuje visok potencijal za transformaciju načina prečišćavanja vodonika u evropskoj industriji, smanjujući tehničke barijere koje su do sada ometale šire usvajanje ovog energetskog vektora.
Razvoj vodi pretežno ženski tim
Iza ovog napretka stoji grupa sastavljena uglavnom od naučnice u ICMM-CSIC-uMeđu njima, pored Eve M. Maye, su i istraživačice poput Sare Izquierdo, Nayare Méndez-Gil, Berte Gómez-Lor ili Mar López-González, zajedno s drugim stručnjacima koji se bave hemijskim i materijalnim aspektima.
Zajednički rad ovog tima omogućio je istovremeno rješavanje aspekata molekularnog dizajna, obrade polimera i optimizacije ključnih parametara kao što su udio slobodnog volumena, mehanička stabilnost i odziv membrane pod pritiskom protoka vodika.
Njegovo istraživanje pruža integrirani pogled u kojem makroskopsko ponašanje membrane - to jest, koliko plina prolazi i kako to čini - razumije se iz unutrašnje arhitekture materijala, od krute prirode truksena do načina na koji je organiziran polisulfon koji ga sadrži.
Ovaj multidisciplinarni pristup, u kojem hemija, fizika materijala i procesno inženjerstvo idu ruku pod ruku, upravo je onakav pristup koji se smatra neophodnim za primjenu vodikovih tehnologija sa stvarnim mogućnostima za implementaciju velikih razmjera u Evropi.
U kontekstu velike potražnje za rješenjima za dekarbonizaciju, činjenica da španski istraživački centri doprinose inovacije s međunarodnim standardima U specifičnim oblastima kao što je membranska nauka, to jača ulogu Španije u trci za tehnologiju čistog vodonika.
Sve ukazuje na to da će, umjesto velikih naslova o čudotvornim tehnologijama, veliki dio budućnosti vodika kao nosioca energije ovisiti o diskretnim dostignućima poput ovog: materijali sposobni za smanjiti potrošnju, skratiti procese i minimizirati otpad u ključnim koracima kao što je prečišćavanje. Ako se ova nova generacija membrana može premjestiti iz laboratorije u industriju, nevidljiva barijera koja trenutno ometa širenje vodika mogla bi postati mnogo lakše upravljiva.
