Гибридная мембрана для разделения газов побила рекорды селективности и проницаемости

Химики из Бельгии и Китая создали гибридную мембрану для разделения газов на основе органического полимера и неорганического цеолита. Благодаря своей двойственной природе, полученная мембрана совмещала в себе рекордно высокие проницаемость и селективность разделения. Исследование опубликовано в журнале Science.

Мембраны для разделения газов принято делить на три типа. Первый — мембраны на основе органических полимеров. Обычно они дешевы и легки в производстве, обладают достаточной селективностью (пропускают одни газы быстрее других), но страдают от небольшой проницаемости (она характеризует количество газа, проходящего через мембрану в единицу времени). Второй тип — мембраны на основе условно неорганических материалов, например, цеолитов и металл-органических каркасов. Они чаще обладают большей проницаемостью и селективностью, но проигрывают в цене и стойкости к износу.

А третий тип — гибридные мембраны — совмещает в себе первые два. Мембраны этого типа делают из двух частей — неорганической и органической. Именно такую мембрану решили сделать химики под руководством Иво Ванкелекома (Ivo Vankelecom) из Левенского католического университета. Они хотели создать материал, способный селективно адсорбировать углекислый газ в присутствии других газов. Для этого ученые выбрали два доступных исходника — неорганический цеолит Na-SSZ-39 и органический полиимидный полимер Matrimid 5218.

Чтобы получить гибридную мембрану, химики растворили полимер в хлороформе и смешали с суспензией цеолита в том же хлороформе. Полученную смесь перемешивали в ультразвуковой бане несколько часов, а затем вылили в чашку Петри. После медленного испарения растворителя мембрану отделили от чашки и высушили. Так химики приготовили несколько мембран с разной массовой долей цеолита (до 55 процентов). Микрофотографии полученных мембран, сделанные с помощью сканирующего электронного микроскопа, показали, что частицы цеолита распределены в полимере равномерно — это было необходимо для эффективного разделения.

Далее ученые исследовали способность гибридной мембраны с массовой долей цеолита в 50 процентов поглощать углекислый газ, метан и азот. Оказалось, что по сравнению с исходным полимером, способность поглощать азот и метан практически не изменилась. Напротив, углекислый газ гибридная мембрана адсорбировала в три раза лучше, чем чистый полимер. А коэффициент разделения для смеси углекислого газа с метаном для полученной мембраны достиг 420 при давлении обоих газов в один бар (число 420 означает, что на одну молекулу метана поглощалось 420 молекул углекислого газа).

Так химики получили мембрану с высокой селективностью к поглощению углекислого газа и значением проницаемости углекислого газа в 8280 Барреров (в 1000 раз больше, чем у исходного полимера). В случае смеси углекислого газа с азотом коэффициент разделения достиг 60, а проницаемость осталась такой же. Такие значения селективности и проницаемости говорят о том, что полученная гибридная мембрана — одна из лучших для селективной адсорбции углекислого газа.

Недавно химики обнаружили, что некоторые полимерные мембраны становятся селективнее при старении. Это происходит из-за того, что часть пор в мембране со временем уменьшаются.