Miniaturní filtry řeší velké problémy

Mnoho průmyslových procesů využívá k separaci plynů, kapalin nebo iontů tepelné metody, které se opírají o nepatrné rozdíly v bodech varu. Tyto tepelné procesy se podílejí na přibližně 10 procentech spotřeby energie ve Spojených státech.

Zachary Smith, chemický inženýr z MIT, chce snížit náklady a uhlíkovou stopu nahrazením těchto energeticky náročných procesů vysoce efektivními filtry, které dokáží separovat plyny, kapaliny a ionty při pokojové teplotě.

Ve své laboratoři na MIT navrhuje Smith membrány s miniaturními póry, které filtrují malé molekuly na základě jejich velikosti. Tyto membrány by mohly být užitečné při čištění bioplynu, zachycování oxidu uhličitého z emisí elektráren nebo při výrobě vodíkového paliva.

„Bereme materiály, které mají jedinečné schopnosti pro přesnou separaci molekul a iontů, a aplikujeme je na aplikace, kde stávající procesy nejsou efektivní a kde je obrovská uhlíková stopa,“ říká Smith, docent chemického inženýrství.

Smith a několik jeho bývalých studentů založili společnost Osmoses, která se zaměřuje na vývoj těchto materiálů pro rozsáhlé využití v čištění plynů. Eliminace potřeby vysokých teplot v těchto rozšířených průmyslových procesech by mohla mít významný dopad na spotřebu energie, potenciálně ji snížit až o 90 procent.

„Rád bych viděl svět, kde bychom mohli eliminovat tepelné separace a kde teplo by už nebylo problémem při výrobě věcí, které potřebujeme, a produkci energie, kterou potřebujeme,“ říká Smith.

Záliba ve výzkumu

Jako středoškolský student se Smith zajímal o inženýrství, ale neměl mnoho vzorů v oboru. Oba jeho rodiče byli lékaři a vždy ho povzbuzovali k usilovné práci ve škole.

„Vyrostl jsem bez znalosti mnoha inženýrů, a už vůbec ne chemických inženýrů. Ale věděl jsem, že se mi líbí vidět, jak svět funguje. Vždycky mě fascinovala chemie a to, jak matematika pomáhala vysvětlit tuto oblast vědy,“ vzpomíná Smith, který vyrostl poblíž Harrisburgu v Pensylvánii. „Chemické inženýrství se zdálo mít všechny tyhle věci v sobě, ale opravdu jsem nevěděl, co to je.“

Na Penn State University Smith pracoval s profesorem Henrym „Hankem“ Foleyem na výzkumném projektu, který navrhoval materiály na bázi uhlíku pro vytvoření „molekulárního síta“ pro separaci plynů. Prostřednictvím časově náročného a iteračního procesu vrstvení vytvořil síto, které dokázalo čistit kyslík a dusík ze vzduchu.

„Přidával jsem stále více a více vrstev speciálního materiálu, který jsem následně mohl zuhelnatět, a nakonec jsem začal dosahovat selektivity. Nakonec jsem vytvořil membránu, která dokázala sítovat molekuly, které se lišily pouze o 0,18 angströmů ve velikosti,“ říká. „V té době mě výzkum chytil a to mě vedlo k tomu, abych dělal více věcí v oblasti membrán.“

Po ukončení studia v roce 2008 pokračoval Smith v postgraduálním studiu chemického inženýrství na Univerzitě v Texasu v Austinu. Tam pokračoval ve vývoji membrán pro separaci plynů, tentokrát s použitím jiné třídy materiálů – polymerů. Řízením struktury polymerů dokázal vytvořit filmy s póry, které filtrují specifické molekuly, jako je oxid uhličitý nebo jiné plyny.

„Polymery jsou typ materiálu, který můžete skutečně tvarovat do velkých zařízení, které se mohou integrovat do špičkových chemických závodů. Takže bylo vzrušující vidět, že existuje škálovatelná třída materiálů, která by mohla mít skutečný dopad na řešení otázek souvisejících s CO₂ a dalšími energeticky úspornými separacemi,“ říká Smith.

Po dokončení doktorátu se rozhodl, že se chce naučit více chemie, což ho vedlo k postdoktorandskému stipendiu na Kalifornské univerzitě v Berkeley.

„Chtěl jsem se naučit, jak si vyrábět vlastní molekuly a materiály. Chtěl jsem provádět vlastní reakce a dělat to systematičtějším způsobem,“ říká.

V Berkeley se naučil vyrábět sloučeniny zvané kovově-organické rámce (MOF) – klecovité molekuly, které mají potenciální využití v separaci plynů a mnoha dalších oblastech. Uvědomil si také, že i když si chemii užíval, byl v srdci rozhodně chemickým inženýrem.

„Naučil jsem se tam spoustu věcí, ale také jsem se hodně naučil o sobě,“ říká. „I když mám chemii rád, pracuji s chemiky a radím chemiky ve své vlastní skupině, rozhodně jsem chemický inženýr, skutečně zaměřený na proces a aplikaci.“

Řešení globálních problémů

Během pohovorů na akademické pozice se Smith cítil přitahován k MIT kvůli mentalitě lidí, které potkal.

„Začal jsem si uvědomovat nejen to, jak talentovaní byli profesoři a studenti, ale i způsob, jakým mysleli, byl odlišný od jiných míst, kde jsem byl,“ říká. „Nešlo jen o to dělat něco, co by posunulo jejich obor o kousek vpřed. Ve skutečnosti vytvářeli nové obory. Na typech lidí, kteří se dostali na MIT a chtěli řešit globální problémy, bylo něco inspirativního.“

Ve své laboratoři na MIT se Smith nyní zabývá některými z těchto globálních problémů, včetně čištění vody, získávání kritických prvků, obnovitelných zdrojů energie, vývoje baterií a sekvestrace uhlíku.

V úzké spolupráci s Yanem Xiou, profesorem na Stanfordské univerzitě, Smith nedávno vyvinul membrány pro separaci plynů, které obsahují nový typ polymeru známý jako „žebříčkové polymery“, které jsou v současné době škálovány pro nasazení v jeho startupu. Historicky bylo použití polymerů pro separaci plynů omezeno kompromisem mezi propustností a selektivitou – to znamená, že membrány, které umožňují rychlejší průtok plynů membránou, mají tendenci být méně selektivní a propouštějí nečistoty.

Pomocí žebříčkových polymerů, které se skládají z dvojitých vláken spojených schodovitými vazbami, se výzkumníkům podařilo vytvořit membrány pro separaci plynů, které jsou jak vysoce propustné, tak velmi selektivní. Zvýšení propustnosti – 100 až 1 000násobné zlepšení oproti dřívějším materiálům – by mohlo umožnit membránám nahradit některé z vysokoenergetických technik, které se nyní používají k separaci plynů, říká Smith.

„To vám umožní představit si řešení rozsáhlých průmyslových problémů pomocí miniaturizovaných zařízení,“ říká. „Pokud můžete systém skutečně zmenšit, pak řešení, která vyvíjíme v laboratoři, by se mohla snadno aplikovat na velké průmyslové odvětví, jako je chemický průmysl.“

Tyto a další vývoje byly součástí řady pokroků, které učinili spolupracovníci, studenti, postdoktorandi a výzkumníci, kteří jsou součástí Smithova týmu.

„Mám skvělý výzkumný tým talentovaných a pracovitých studentů a postdoktorandů a mohu učit témata, která byla zásadní pro moji vlastní profesní kariéru,“ říká Smith. „MIT bylo hřištěm prozkoumávání a učení se novým věcem. Jsem nadšený z toho, co můj tým objeví dál, a vděčný za příležitost pomoci řešit mnoho důležitých globálních problémů.“