Блог

Aug 15, 2023

Борьба с изменением климата с помощью «кофейных фильтров для молекул»

Луис Франсиско Вильялобос присоединяется к USC Viterbi, где поделится своим опытом в области технологий разделения энергии и фильтрации воды. Луис Франсиско Вильялобос создает нанопористую структуру толщиной в атом

Луис Франсиско Вильялобос присоединяется к USC Viterbi, где поделится своим опытом в области технологий разделения энергии и фильтрации воды.

Луис Франсиско Вильялобос создает нанопористые молекулярные фильтры атомной толщины путем травления пор в слое графеновой решетки – сверхтонком слое углерода с точной гексагональной структурой. Изображение/Джозеф Г. Манион и Луис Франсиско Вильялобос.

Технология разделения – это то, что нужно многим из нас просто для того, чтобы встретить день. Каждое утро наш надежный кофейный фильтр творит чудеса, отделяя кофейный помол и превращая воду в ту бодрящую дозу жидкой энергии, которая нам необходима для функционирования.

Луис Франсиско Вильялобос интересуется, как этот процесс можно использовать на атомном уровне с использованием современных мембран, изготовленных из энергоэффективных материалов. Эти передовые мембраны могут обеспечить снабжение питьевой водой, улавливать ценные элементы из отходов и способствовать переходу на чистую энергию.

В январе он присоединяется к кафедре химической инженерии и материаловедения семьи Морк в качестве доцента, расширяя возможности кафедры в области технологий разделения, способствующих фильтрации воды и методам снижения загрязнения, таким как улавливание углерода.

Вильялобос заявил, что половина энергии, затрачиваемой химической промышленностью, идет на промышленный процесс разделения.

«Моя личная точка зрения заключается в том, что это число будет только увеличиваться, потому что критические материалы — такие как вода, литий, никель и другие металлы — подвергаются нагрузке до уровня, когда нам нужны более совершенные технологии разделения, чтобы мы могли максимизировать их извлечение», — сказал он.

Виллалобос надеется обратить вспять эту углеродоемкую тенденцию, разработав сверхтонкие мембраны с тщательно контролируемыми свойствами материала для создания энергоэффективного и модульного процесса разделения.

«Это похоже на фильтр для кофе: фильтр пропускает воду, но задерживает кофейные зерна. Это разделение, которое мы видим. Но разделение, на которое я нацелен, происходит на молекулярном уровне — отделение одной молекулы от другой в потоке», — сказал Вильялобос.

Одним из наиболее распространенных промышленных применений разделения на молекулярном уровне является мембрана обратного осмоса, используемая для опреснения и фильтрации воды. Виллалобос разрабатывает технологию для этого применения, а также для улавливания и хранения углерода, а также для извлечения ценных материалов из жидких отходов, таких как рассол, хвосты шахт и пластовая вода — естественная соленая вода, которая выходит из земли в виде отходов. продукт от добычи нефти и газа.

«Мы берем поток отходов и извлекаем из него что-то ценное, чтобы мы могли повысить доступность этих ресурсов, которые со временем становятся все более дефицитными», — сказал Вильялобос.

Одним из ключевых примеров продукта, доступного в потоках отходов, является литий — все более важный материал для электроники и аккумуляторов. Лития много в океане, но его очень трудно добыть энергоэффективным способом.

«Нам необходимо найти более эффективные способы извлечения лития из известных источников, а также найти другие источники, из которых мы его традиционно не извлекаем», — сказал Вильялобос. «Пластовая вода поступает из нефтяных пластов, и с ней нужно что-то делать. Проходя сквозь земные породы, он содержит много металлов, включая литий. Так что это один из потенциальных источников».

Доцент кафедры химической инженерии и материаловедения семьи Морк Луис Франсиско Вильялобос.

Передовая мембранная технология, которую разрабатывает Виллалобос, известна как нанопористый молекулярный фильтр толщиной в атом. Он работает с графеном, слоем углерода толщиной в один атом, идеально расположенным в виде шестиугольника. Нетронутый слой графена имеет очень плотную атомную структуру, которая не позволяет молекулам проходить сквозь него.

«Но если нам удастся просверлить много точных отверстий в этих материалах толщиной в атом, то мы сможем создавать очень энергоэффективные мембраны», — сказал Виллалобос. «Обычно энергия, которую нам нужно потратить на перемещение молекул с одной стороны мембраны на другую, пропорциональна толщине нашей мембраны. Эти материалы настолько тонкие, насколько это возможно».