Poreus koolstofvezel:doorlatend, adsorberend en geleidend

Toray's nieuwe poreuze koolstofvezel (linksboven, met holle centrale as) heeft een controleerbare poriestructuur op nano- of microschaal door de hele vezel (rechtsboven). Die poreuze structuur helpt het materiaal tot een effectief filtratiemedium te maken dat nuttig kan zijn als de ondersteunende structuur van gasscheidingsmembranen. Omdat koolstof ook bekende adsorptie-eigenschappen heeft (voor zowel chemische als fysieke filtratie) en een effectieve thermische en elektrische geleider is, kan de poreuze koolstofvezel ook worden gebruikt in geavanceerde batterijsystemen en katalysatordragers die worden gebruikt bij chemische verwerking. Bron | Toray Industries Inc.

Medio november 2019 kondigde Toray Industries Inc. (Tokyo, Japan) aan dat het 's werelds eerste poreuze koolstofvezel had ontwikkeld met een continue poriestructuur op nano- en/of microschaal, die het binnen de komende vijf jaar hoopt te commercialiseren . Een mogelijke toepassing voor het product is met name het gebruik in gasscheidingstechnologie, die door verschillende industrieën wordt gebruikt om koolstofdioxide (CO₂ ), biogas, waterstof en andere gassen.

Toray meldt dat conventionele benaderingen voor gasscheiding optreden bij grote installaties die zelf veel energie verbruiken en aanzienlijke CO₂ . produceren uitstoot. Een nieuwere, meer ecologisch duurzame benadering van gasscheiding maakt gebruik van nanoporeuze membranen voor gasfiltratie die aanzienlijk minder energie verbruiken. Ondanks dat het veelbelovend is, zegt Toray dat deze methode tot op heden niet de efficiëntie en duurzaamheid heeft die nodig zijn voor langdurig gebruik op grote schaal.

Volgens het bedrijf zou het nieuwe poreuze koolstofvezelproduct van Toray dit probleem kunnen helpen oplossen - met potentieel voor gebruik bij de productie van waterstof voor brandstofcellen - door de prestaties van de huidige gasscheidingsmembranen te verbeteren, waardoor membranen dunner, lichter, compacter en beter in staat zijn bestand tegen hitte, druk en chemicaliën.

Poreuse filtratiemedia

Nano- en microporeuze filtratiemedia zijn niet nieuw. Een handvol polymeren - de meeste thermoplastisch - worden gebruikt om zowel nanoporeuze platte membranen als nanoporeuze vezels te produceren. Typische toepassingen zijn onder meer hoogwaardige waterfilters (voor industrieel en drinkwater); drank- en voedselfiltratie (om kleur, geur of smaak te verbeteren); medische filters (voor bloedscheiding (aferese) en bloedfiltratie (dialyse)); evenals industriële gasscheiding (voor een breed scala aan industrieën en processen, waaronder chemicaliën en petrochemie, energie, mijnbouw, staalproductie, medisch, kunstmestproductie, milieubescherming, elektronica en ruimtevaart).

De meest gebruikte polymeren voor hoogwaardige filtratietoepassingen zijn onder meer polyethersulfon (PES), polysulfon (PSU), polyvinylideenfluoride (PVDF), polytetrafluorethyleen (PTFE) en celluloseacetaat (CA). Voor de meest veeleisende filtratieomstandigheden - zoals hoge of lage temperaturen, agressieve chemicaliën of toepassingen met een hoog gehalte aan vaste stoffen - worden ook keramiek (zoals aluminiumoxide) en metalen (zoals titaniumdioxide en roestvrij staal) gebruikt.

Afhankelijk van de behoeften van de toepassing, kunnen filtratiemedia worden geproduceerd in verschillende porositeitsniveaus met poriegroottes in de orde van grootte van 0,1 micrometer voor microfiltratie, 0,01 micrometer voor ultrafiltratie, 0,001 micrometer voor nanofiltratie en 0,0001 micrometer voor omgekeerde osmose.

Voor hoogwaardige filtratiemedia zijn kritische technische vereisten:goede en brede chemische bestendigheid, niet alleen tegen de materialen die worden gescheiden, maar ook tegen natriumhypochloriet, een algemeen desinfectiemiddel dat wordt gebruikt om membranen te reinigen; goede mechanische sterkte, omdat veel filters hoge druk uitoefenen om de scheiding van vaste stoffen, vloeistoffen en gassen te forceren; permeabiliteit, om de filtratiefunctie te bieden; en lage vervuiling, zodat membranen schoon kunnen worden gehouden voor een efficiënte, functionele, langdurige werking.

Poreuze koolstofvezel

Dat koolstofvezel als nanoporeus filtratiemedium kan worden gebruikt, is op een aantal manieren aantrekkelijk. Ten eerste wordt actieve kool - een vorm van koolstof met een klein volume kleine gaatjes die wordt gebruikt om het beschikbare oppervlak voor adsorptie en/of chemische reacties te vergroten - al lang gebruikt als een onderdeel in een reeks minder presterende filtratiesystemen. Met de ruime voorraad lege orbitalen van atomaire koolstof en het grotere oppervlak van actieve koolstof, kan het materiaal een effectief medium zijn om een ​​verscheidenheid aan actieve stoffen op te vangen en te binden (adsorberen). Helaas, aangezien actieve kool in wezen vast is, is de permeatiefunctie ervan meestal beperkt tot het oppervlak van het substraat en is de filtratiefunctie voornamelijk fysiek (niet chemisch), wat de soorten en maten van stoffen die effectief kunnen worden gescheiden beperkt.

In het geval van Toray's poreuze koolstofvezel - of poeders geproduceerd door het malen van dergelijke vezels - zijn de poriën continu door de hele structuur, wat betekent dat producten gemaakt van het materiaal zowel fysiek als chemisch moeten kunnen filteren. Door gebruik te maken van de adsorptie-eigenschappen van atomaire koolstof, kan de nanoporeuze koolstofvezel nuttig blijken te zijn voor elektrodematerialen en katalysatordragers in krachtige batterijen. Bovendien is koolstof in al zijn vaste vormen zowel een goede thermische geleider als een goede elektrische geleider — eigenschappen die in bepaalde toepassingen nuttig kunnen zijn.

Toray meldt dat zowel de poriegrootte (micro- tot nano-niveaus) als de transversale porievorm controleerbaar zijn in het product, ongeacht of ze een "vaste" poreuze vezel of een holle poreuze vezel (met een centrale schacht over de lengte van de de vezel). Tot nu toe heeft Toray zowel "grote" als "kleine" poriën kunnen creëren (hoewel er geen details over de werkelijke poriegroottes werden verstrekt). Omdat koolstofvezel al is verkoold en gegrafitiseerd, is het chemisch stabiel en zeer stijf en sterk - eigenschappen die ook kunnen worden benut bij de productie van sterkere, compactere gasscheidingsmembranen.

Naar verluidt heeft het bedrijf gebruik gemaakt van drie interne expertisegebieden om het nieuwe product te ontwikkelen:polymeren, koolstofvezel en scheidingsmembraan/waterfiltratietechnologieën.

Op 11 december 2019 hield Toray een ceremonie om het lint door te knippen om zijn nieuwe R&D Innovation Center for the Future te openen. De faciliteit met twee gebouwen, op het terrein van de Shiga-fabriek van het bedrijf in Otsu, Japan, waar het bedrijf in 1926 zijn activiteiten begon, zal dienen als wereldwijd hoofdkantoor voor een aantal strategische initiatieven, waaronder poreuze koolstofvezel, door academische instellingen en de industrie te betrekken partners uit verschillende vakgebieden. Toray meldt dat het bedrijf al samenwerkt met verschillende partners om de expertise van elke organisatie beter te benutten om de commercialisering van geavanceerde gasscheidingsmembranen te stimuleren ter ondersteuning van economische en milieuvriendelijke methoden voor de zuivering van aardgas en biogas en waterstofproductie voor brandstofcellen die elektrische voertuigen aandrijven en gebouwen. Dat team zegt een concept te hebben ontwikkeld voor een nieuw type gasscheidingsmembraan dat beter bestand is tegen hitte, chemicaliën en drukken. Door Toray's poreuze koolstofvezel als steunlaag en partnertechnologie voor de gasscheidingslagen te combineren, zou het voorgestelde vierlagensysteem in staat moeten zijn om aardgas (laag A), biogas (laag B), waterstof (laag C) te scheiden en te zuiveren. ) en propyleen (laag D).

Het bedrijf meldt ook dat het onderzoek naar dit nieuwe materiaal voortzet om koolstofrecycling te stimuleren, de productie van waterstofenergie aan te boren en de ecologische voetafdruk van de industrie te verkleinen. Het is een onderdeel van Toray's Group Sustainability Vision om tegen 2050 een koolstofarme economie te helpen realiseren door middel van bijdragen aan milieu-, hulpbronnenbeheer- en energiekwesties.