Ученые заставили мембраны улавливать парниковые газы в 60 раз лучше аналогов

Ученые создали полимерную мембрану, которая в два раза лучше аналогов разделяет азот и углекислый газ, и в 60 раз лучше пропускает последний. Разработку можно будет использовать для экологически чистого удаления углекислого газа из отработанного газа, выбрасываемого в атмосферу при работе теплоэлектростанций и других промышленных предприятий. Это, в свою очередь, поможет бороться с парниковым эффектом. Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Journal of Membrane Science.

Одна из основных причин парникового эффекта — выбросы углекислого газа в атмосферу в результате работы теплоэлектростанций. Предотвратить его попадание в окружающую среду могут помочь мембраны — пористые полимерные материалы, которые используются, чтобы выделять углекислый газ из дымовых газов и природного газа. Они задерживают безопасный для атмосферы азот и хорошо пропускают углекислый газ, который затем удаляют с помощью системы очистки и помещают в резервуары, откуда его можно извлекать для использования в различных химических процессах.

Часто мембраны изготавливают из ацетата целлюлозы — полимера на основе обычной растительной клетчатки, к которой присоединены остатки уксусной кислоты. Однако увеличивающиеся темпы производства требуют разработки новых мембран с улучшенными эксплуатационными характеристиками, прежде всего проницаемостью и избирательностью (селективностью).

Ученые из Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва) создали новый вид полимерной мембраны. Они заменили основную целлюлозную цепь на полициклоолефиновую. Это цепь, в которой атомы углерода соединены в сложные трехмерные кольцевые структуры. Такие соединения обладают высокой термической и химической стабильностью.

Далее ученые дополнительно ввели в состав полимера сложноэфирные группы, содержащие атомы углерода и кислорода. Они повысили способность материала связываться с углекислым газом и ускорили прохождение последнего через мембрану. Так, по сравнению с мембраной из ацетата целлюлозы новый материал в два раза лучше разделял углекислый газ и азот, а его проницаемость по отношению к углекислому газу оказалась выше более чем в 60 раз. Поэтому разделение газов будет происходить эффективнее.

Авторы подчеркивают, что это неожиданный для них результат. Как правило, существует закономерность: при росте проницаемости падает селективность разделения, и наоборот — с увеличением качества газоразделения снижается проницаемость. Введение в состав полимера сложноэфирных групп привело к улучшению обоих параметров.

«Полученный материал продемонстрировал превосходные газоразделительные свойства. Структура нового полимера проста и легка в получении — предложенные мембраны можно создавать из продуктов нефтепереработки и традиционных акриловых мономеров, что делает их доступными. Внедрение их в системы газовыведения будет способствовать снижению парникового эффекта, вызванного выбросами теплоэлектростанций и других промышленных предприятий. Мы планируем продолжать работы по разработке мембран на основе данных полимеров. Сейчас проводятся испытания в условиях, приближенных к промышленным», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Евгения Бермешева, кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории Химии нефти и нефтехимического синтеза ИНХС РАН.

В исследовании также принимали участие сотрудники Первого Московского государственного медицинского университета имени И.М. Сеченова (Москва) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).