Новый мембранный материал снизит выбросы углекислого газа в атмосферу

Синтезирован мембранный материал, который с высокой избирательностью удаляет углекислый газ из газовых смесей.

Он будет полезен для очистки выбросов после сжигания углеродного топлива на электростанциях и заводах, а также для фильтрации воздуха в закрытых пространствах, например, на космических кораблях.

Результаты исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Advanced Functional Materials.

Рост числа промышленных и производственных предприятий в последние десятилетия привел к значительному загрязнению окружающей среды. Для борьбы с этим было принято Парижское соглашение, согласно которому уровень выбросов парниковых газов России к 2030 году должен составлять не более 70% от уровня 1990 года. Решения правительства привели к тому, что уже к 2018 году уровень выбросов достиг 52% от уровня 1990 года и продолжает снижаться. В частности, для этого вводят законы, ограничивающие объём выбросов углекислого газа крупными промышленными и сельскохозяйственными предприятиями. Чтобы предотвратить попадание газовых примесей в атмосферу, используют мембранные очищающие модули, которые задерживают одни газы и пропускают другие. Благодаря им углекислый газ не попадает в воздух, а проходит через избирательно (селективно) пропускающий его слой. При этом, чем лучше газ проходит через мембрану, тем менее избирательно он улавливается из газовой смеси, пропускаемой через фильтр. Если же, наоборот, он улавливается слишком избирательно, то сквозь толщу полимера проходит очень малое его количество, и фильтрация оказывается недостаточно эффективной. Поэтому учёные стремятся создать мембраны, в которых соблюдается баланс между избирательностью и проницаемостью для углекислого газа.

Специалисты Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН (Москва) синтезировали полимерный материал, позволяющий с высокой селективностью улавливать углекислый газ из газовой смеси. В качестве основы для полимера авторы взяли норборнен — коммерчески доступное органическое соединение, которое в зависимости от используемого при синтезе катализатора может образовывать различные по пространственной структуре полимеры. Однако не все полимеры на основе этого соединения обладают необходимыми качествами, и, чтобы улучшить их газопроницаемость, учёные ввели в их структуру эпоксидную группу, благодаря которой и происходит избирательное пропускание углекислого газа.

Однако такой замещённый норборнен легко вступает в полимеризацию, при которой образуются гибкие, ненасыщенные (с двойными связями) цепи, которые менее устойчивы к высокой температуре, из-за чего материал придёт в негодность при длительной эксплуатации. Поэтому основная сложность заключалась в том, чтобы синтезировать насыщенную — без двойных связей — полимерную цепь из замещённого норборнена.

Исследователям удалось разработать каталитические системы, в которых содержится палладий, позволяющий получить стабильные жесткоцепные полимеры с высокой термической и химической устойчивостью.

Секрет высокой эффективности синтезированного полимера состоит в том, что один из атомов углерода образует сразу два циклических фрагмента, из-за чего плоскости эпоксидной группы и норборнена располагаются перпендикулярно друг к другу. Это увеличивает жесткость структуры и свободный объём внутри полимера. Последнее позволяет молекулам газа легче проходить через полимерную мембрану, а специфическое взаимодействие эпоксидной группы и молекул углекислого газа способствует его более селективному пропусканию через толщу полимера.

Учёные 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. Из-за эпоксидной группы растворимость углекислого газа в полимере возросла, поэтому избирательность увеличилась в 1,9—3,4 раза по сравнению с веществами без эпоксидного фрагмента.

Предложенный авторами полимер нужно будет наносить тонким слоем на половолоконные мембраны, чтобы создавать мембранные модули для разделения газовых смесей — выбросов с теплоэлектростанций, химических производств, воздушных сред космических кораблей.

«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 определённую 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», — рассказывает участник проекта Алена Возняк, кандидат химических наук, научный сотрудник лаборатории кремнийорганических и углеводородных циклических соединений Института нефтехимического синтеза имени А.В. Топчиева РАН.

В дальнейшем исследовательская группа планирует продолжить создание полимеров с разными функциональными заместителями, подбирая наиболее эффективные катализаторы и по-разному модифицируя боковые группы полимера. Полученные материалы могут уменьшить вред от выбросов углекислого газа, количество которых растёт с каждым годом.