Пористое углеродное волокно:проницаемое, адсорбирующее и проводящее

Новое пористое углеродное волокно Toray (вверху слева, показывает полый центральный вал) имеет управляемую нано- или микромасштабную структуру пор по всему волокну (вверху справа). Эта пористая структура помогает сделать материал эффективной фильтрующей средой, которая может быть полезна в качестве опорной структуры газоразделительных мембран. Поскольку углерод также обладает хорошо известными адсорбционными свойствами (как для химической, так и для физической фильтрации) и является эффективным тепловым и электрическим проводником, пористое углеродное волокно также может найти применение в передовых аккумуляторных системах и носителях катализаторов, используемых в химической обработке. Источник | Toray Industries Inc.

В середине ноября 2019 года Toray Industries Inc. (Токио, Япония) объявила о разработке первого в мире пористого углеродного волокна с непрерывной нано- и / или микропористой структурой, которое она надеется коммерциализировать в течение следующих пяти лет. . В частности, одним из возможных вариантов применения продукта является технология разделения газов, применяемая в различных отраслях промышленности для отделения диоксида углерода (CO ₂ ), биогаз, водород и другие газы.

Toray сообщает, что стандартные подходы для разделения газа происходит на крупных объектах, которые сами по себе потребляют много энергии и производят значительное количество CO ₂ выбросы. В более новом, более экологически безопасном подходе к разделению газов используются нанопористые мембраны для фильтрации газа, которые потребляют значительно меньше энергии. Однако, несмотря на большие надежды, Торей говорит, что на сегодняшний день этому методу не хватало эффективности и долговечности, необходимых для крупномасштабного и долгосрочного использования.

По заявлению компании, новый продукт Toray из пористого углеродного волокна может помочь решить эту проблему - с возможностью использования в производстве водорода для топливных элементов - за счет улучшения характеристик существующих газоразделительных мембран, делая мембраны тоньше, легче, компактнее и лучше. выдерживать тепло, давление и химические вещества.

Пористая фильтрующая среда

Нано- и микропористые фильтрующие материалы не новы. Несколько полимеров, большинство из которых термопластичные, используются для производства как нанопористых плоских мембран, так и нанопористых волокон. Типичные области применения включают высокопроизводительные фильтры для воды (для промышленной и питьевой воды); фильтрация напитков и пищевых продуктов (для улучшения цвета, запаха или вкуса); медицинские фильтры (для отделения крови (аферез) и фильтрации крови (диализа)); а также разделение промышленных газов (для широкого круга отраслей и процессов, включая химическую и нефтехимическую, энергетику, горнодобывающую промышленность, сталеплавильное производство, медицину, производство удобрений, защиту окружающей среды, электронику и авиакосмическую промышленность).

Наиболее распространенные полимеры, используемые для высокоэффективной фильтрации, включают полиэфирсульфон (PES), полисульфон (PSU), поливинилиденфторид (PVDF), политетрафторэтилен (PTFE) и ацетат целлюлозы (CA). Для наиболее требовательных условий фильтрации - таких как высокие или низкие температуры, агрессивные химические вещества или приложения с высоким содержанием твердых частиц - также используются керамика (например, оксид алюминия) и металлы (например, диоксид титана и нержавеющая сталь).>

В зависимости от потребностей применения фильтрующие материалы могут быть изготовлены с несколькими различными уровнями пористости с размером пор порядка 0,1 микрометра для микрофильтрации, 0,01 микрометра для ультрафильтрации, 0,001 микрометра для нанофильтрации и 0,0001 микрометра для обратного осмоса.

Критические технические требования для высокоэффективных фильтрующих материалов включают:хорошую и широкую химическую стойкость не только к разделяемым материалам, но и к гипохлориту натрия, распространенному дезинфицирующему средству, используемому для очистки мембран; хорошая механическая прочность, так как многие фильтры применяют высокое давление для принудительного отделения твердых частиц, жидкостей и газов; проницаемость для обеспечения функции фильтрации; и низкое загрязнение, поэтому мембраны можно содержать в чистоте для эффективной, функциональной и долгосрочной эксплуатации.

Пористое углеродное волокно

Углеродное волокно, которое можно использовать в качестве нанопористой фильтрующей среды, привлекательно во многих отношениях. Во-первых, активированный уголь - форма углерода с небольшим объемом крошечных отверстий, используемая для увеличения доступной площади поверхности для адсорбции и / или химических реакций - долгое время использовалась в качестве одного из компонентов в ряде менее эффективных систем фильтрации. При достаточном количестве пустых орбиталей атомарного углерода и увеличенной площади поверхности активированного угля этот материал может быть эффективной средой для улавливания и связывания (адсорбции) различных активных веществ. К сожалению, поскольку активированный уголь является по существу твердым веществом, его проницающая функция в основном ограничивается поверхностью субстрата, а его фильтрующая функция в первую очередь физическая (а не химическая), что ограничивает типы и размеры веществ, которые могут быть эффективно разделены.

В случае пористого углеродного волокна Toray или порошков, полученных в результате измельчения такого волокна, поры являются непрерывными по всей структуре, а это означает, что изделия, изготовленные из этого материала, должны иметь возможность как физически, так и химически фильтровать. За счет использования адсорбционных свойств атомарного углерода нанопористое углеродное волокно может оказаться полезным для электродных материалов и носителей катализатора в высокоэффективных батареях. Более того, углерод во всех его твердых формах является как хорошим проводником тепла, так и хорошим проводником электричества - особенности, которые могут оказаться полезными в определенных областях применения.

Toray сообщает, что и размер пор (микро- и наноуровни), и форма пор в поперечном сечении являются управляемыми в ее продукте, независимо от того, создают ли они «твердое» пористое волокно или полое пористое волокно (с центральным стержнем по длине волокно). До сих пор Toray удавалось создавать как «большие», так и «маленькие» поры (хотя никаких подробностей о фактических размерах пор не было предоставлено). Поскольку углеродное волокно уже карбонизировано и графитировано, оно химически стабильно, очень жесткое и прочное - свойства, которые также можно использовать при производстве более прочных и компактных газоразделительных мембран.

Сообщается, что при разработке нового продукта компания использовала три внутренних области знаний:полимеры, углеродное волокно и технологии разделительной мембраны / фильтрации воды.

11 декабря 2019 года компания Toray провела церемонию перерезания ленточки, чтобы открыть свой новый научно-исследовательский центр инноваций будущего. Комплекс из двух зданий на территории завода компании Shiga в Оцу, Япония, где компания начала свою деятельность в 1926 году, будет служить глобальной штаб-квартирой для ряда стратегических инициатив, включая использование пористого углеродного волокна, с привлечением академических институтов и промышленности. партнеры из разных областей. Toray сообщает, что компания уже сотрудничает с несколькими партнерами, чтобы лучше использовать опыт каждой организации для стимулирования коммерциализации передовых газоразделительных мембран для поддержки экономичных и экологически чистых методов очистки природного газа и биогаза и производства водорода для топливных элементов, которые приводят в действие электромобили. и здания. Эта команда заявляет, что разработала концепцию нового типа газоразделительной мембраны, которая будет более устойчивой к нагреванию, химическим веществам и давлению. Предлагаемая четырехслойная система, сочетающая в себе пористое углеродное волокно Toray в качестве опорного слоя и партнерскую технологию для газоразделительных слоев, должна обеспечивать отделение и очистку природного газа (слой A), биогаза (слой B), водорода (слой C). ) и пропилен (слой D).

Компания также сообщает, что она продолжает исследования этого нового материала, чтобы стимулировать переработку углерода, использовать производство водородной энергии и уменьшить воздействие промышленности на окружающую среду. Это одно из направлений деятельности Toray Group в области устойчивого развития, призванное помочь материализовать низкоуглеродную экономику к 2050 году путем внесения вклада в решение проблем окружающей среды, управления ресурсами и энергетики.