Ультра-пористое углеродное волокно Toray: исключительная адсорбция и проводимость

В ноябре 2019 года Toray Industries (Токио, Япония) анонсировала разработку мира первого пористого углеродного волокна с непрерывной нано- и/или микропористой структурой по всему сечению. Коммерциализация планируется в ближайшие пять лет. Одно из ключевых применений — технологии разделения газов для разделения CO₂, биогаза, водорода и других газов.

Традиционные методы разделения газов требуют крупных объектов с высоким энергопотреблением и выбросами CO₂. Новый подход с нанопористыми мембранами использует меньше энергии, но до сих пор не имел нужной эффективности и долговечности для масштабного долгосрочного использования.

Пористое углеродное волокно Toray может решить эту проблему — например, для производства водорода для топливных элементов — повышая производительность мембран: делая их тоньше, легче, компактнее и устойчивее к тепла, давлению и химикатам.

Пористые фильтрующие среды

Нано- и микропористые среды не новы. Используются полимеры (полиэтерсульфон, полисульфон, PVDF, PTFE, целлюлозный ацетат) для плоских мембран и волокон. Применения: фильтрация воды, пищевых продуктов, медицинских (гемаферез, диализ), промышленного разделения газов (химия, нефтехимия, энергетика, металлургия, фарма, экологика, электроника, аэрокосмика). Для экстремальных условий используют керамику (оксид алюминия) и металлы (диоксид титана, нержавейку). Различные уровни пористости: микрофильтрация (0,1 мкм), ультрафильтрация (0,01 мкм), нанофильтрация (0,001 мкм), обратный осмос (0,0001 мкм). Ключевые требования: химическая стойкость, механическая прочность, проницаемость, низкое загрязнение.

Пористое углеродное волокно

Использование углеродного волокна как нанопористой среды привлекательно. Активированный углерод давно применяется в фильтрации за счет адсорбционных свойств, но его проницаемость ограничена поверхностью. У пористого волокна Toray поры непрерывны по всей структуре, позволяя физическую и химическую фильтрацию. Атомный углерод с пустыми орбиталями эффективно ловит и связывает активные вещества. Кроме того, углерод — хороший тепловой и электрический проводник.

Toray контролирует размер пор (микро- через нано-уровни) и форму поперечного сечения, создавая как «сплошное», так и полое пористое волокно (с центральным каналом). Продукт химически стабилен, жесток и прочен благодаря карбонизации и графитизации. Разработка объединила экспертизу в полимерах, углеродном волокне и мембранных технологиях.

11 декабря 2019 года Toray открыла центр R&D Innovation Center for the Future в Оцу (Япония) для глобальной координации стратегических инициатив, включая пористое волокно. Компания сотрудничает с партнерами для коммерциализации передовых мембран разделения газов для очистки природного газа, биогаза и производства водорода. Разработана концепция четырехслойной системы: слой А — природный газ, Б — биогаз, В — водород, Г — пропилен. Поддержка — пористое волокно Toray, газоразделяющие слои — партнерские технологии.

Исследования продолжаются для углеродного рециклинга, водородной энергетики и снижения экологического следа — часть Vision 2050 Toray для низкоуглеродной экономики.