排気ガスから CO2 を引き出す調整可能なメンブレン

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(A controllable membrane to pull carbon dioxide out of exhaust streams)

2020/10/16 アメリカ合衆国・マサチューセッツ工科大学(MIT)

・ MIT が、工場の排気流や大気中の CO2 の継続的な除去を可能にする、電気メッキ技術によるゲーティングメカニズム(通門機構)を備えたメンブレンシステムを開発。
・ 同システムの主要なコンポーネントのメンブレンは、陽極酸化アルミニウム製で、六角形の孔から成るハニカム構造を有する。可動部を持たず、エネルギーをほとんど消費せずに電気化学的な作動でメンブレンの孔の開閉を切り替える。
・ 孔が開いた状態ではガス分子が通り抜け、ガスゲーティングのメカニズム作用による金属薄膜層の形成で孔を塞いでせき止める。
・ 2 枚のガスゲーティングメンブレンで酸化還元活性の炭素吸収材料を挟んだデバイスを亜鉛イオン移動の媒体となる有機電解質に浸し、ガスの除去プロセスを概念実証した。電圧の極性を切り替えると、イオンが移動して金属薄膜層を形成して一方のメンブレンの孔を閉じると同時に、他方のメンブレンの金属薄膜層が溶解して孔が開く。
・ 排気ガスの流入側で炭素吸収材料層が開いている場合は、同材料が最大限に CO2 を吸着。その後電圧を切り替えてガス流入側を塞いで反対側が開くと、ほぼ高純度の CO2 が濃縮した気流が放出される。
・ 相反するフェーズのゲーティングメンブレンのユニットを交互に配置したシステムを構築すれば、半分のユニットでガスを取り込み、他半分のユニットでそれを放出する、産業用スクラバー等での継続した除去プロセスも可能に。
・ このような新しい CO2 除去のアプローチは、吸着床の停止、パージ、再生後に吸着サイクルを再開するといった、従来のマルチカラムシステムにあるプロセス上の課題を回避。ユニット内でクリーンに全行程を実施する。
・ 今回の電気メッキ技術によるメンブレンの開閉以外の手法を試みたが、金属薄膜はガスのバリアとして特に効果的であることを確認。また、新システムで使用される超薄膜層の亜鉛の量は最低限で済む。同新ステムでは CO2 除去だけでなく、多様な化学物質の分離や精製プロセス等、幅広いアプリケーションの可能性が期待できる。
・ 本研究は、MIT Energy Initiative を通じエクソンモービルが支援した。
URL: https://news.mit.edu/2020/membrane-carbon-dioxide-exhaust-1016

<NEDO海外技術情報より>

(関連情報)

Science Advances 掲載論文(フルテキスト)
Electrochemically mediated gating membrane with dynamically controllable gas transport
URL: https://advances.sciencemag.org/content/6/42/eabc1741

Abstract

The regulation of mass transfer across membranes is central to a wide spectrum of applications. Despite numerous examples of stimuli-responsive membranes for liquid-phase species, this goal remains elusive for gaseous molecules. We describe a previously unexplored gas gating mechanism driven by reversible electrochemical metal deposition/dissolution on a conductive membrane, which can continuously modulate the interfacial gas permeability over two orders of magnitude with high efficiency and short response time. The gating mechanism involves neither moving parts nor dead volume and can therefore enable various engineering processes. An electrochemically mediated carbon dioxide concentrator demonstrates proof of concept by integrating the gating membranes with redox-active sorbents, where gating effectively prevented the cross-talk between feed and product gas streams for high-efficiency, directional carbon dioxide pumping. We anticipate our concept of dynamically regulating transport at gas-liquid interfaces to broadly inspire systems in fields of gas separation, miniaturized devices, multiphase reactors, and beyond.

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