Русский мембранный материал снижающий выбросы углекислого газа

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, ученые ввели в их структуру эпоксидную группу, благодаря которой и происходит избирательное пропускание углекислого газа.

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

Ученые 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 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».

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 растет с каждым годом.