現階段已經開發設計的很多很有發展前途的技術性能夠 降低能耗，或在生物科技、電子信息科學、納米材料、管理科學等行業獲得碳。盡管并不一定的事兒都是被證實是行得通的，可是只必須一點資產和塑造，很多人就可以協助處理這一星體的極大挑戰。

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一種那樣的解決方法已經從工業生產分離全過程的新方式中出現。在麻省理工大學有機化學工程學院，Zachary Smith專家教授已經科學研究新的聚合物膜，這類膜能夠 大大減少有機化學分離中的電力能源應用。他還已經開展更深層次的提升納米金屬材料有機化學架構(MOFs)聚合物膜性能的科學研究。

Joseph R Mares(1924)應用化學職業生涯發展終身教授Zachary Smith。來源于：David Sella

“大家不但從運送、熱學和反映性的基本概念考慮制做和剖析原材料，并且大家剛開始將這種專業知識用于建立實體模型和設計方案新的分離性能的原材料，它是之前從沒獲得過的。” Smith說。“細心想一想，從試驗室到大規模生產及其它對社會發展導致的危害，它是令人激動的。”

史密斯常常與對分離技術性有看法的領域權威專家溝通交流。雖然英國撤出二零一五年的巴黎氣候協議書，可是到迄今為止此協議書依然維持法律認可。史密斯關鍵關心的有機化學和石油工業剛開始感受到節能減排工作壓力。用于分離的加溫和玻璃鋼冷卻塔必須非常大的動能，而且修建和維護保養成本費昂貴，因而該領域也在尋找控制成本的方法。

史密斯表明，有機化學和石油化工設備領域的工業化生產全過程耗費了英國總電力能源的四分之一到三分之一，而工業生產分離則占有了在其中一半的能耗。大概一半的分離電力能源來源于精餾，這一全過程必須很強的發熱量，或是在超低溫水蒸氣蒸餾的狀況下，乃至是更能耗的極端化制冷下進行。

“這必須很多的動能來燒開和再燒開化合物，并且高效率更低，因為它必須改變。”史密斯說。“膜分離技術性能夠 防止這種改變，而且應用越來越少的動能。聚合物能夠 是無缺點的，你能把他們鑄造成可選擇性的，足夠遮蓋一個足球場地的100納米厚的塑料薄膜。”

殊不知也有許多艱難存有。膜分離僅用于化工氣體分離全過程的一小部分，由于聚合物膜“一般高效率不高，不可以與水蒸氣蒸餾性能相符合。” 史密斯說。“現階段的膜不可以出示充足的總產量(稱之為助溶液)用于高容運用，并且當應用更具有黏附性的入料流時，他們的有機化學和化學性質也不平穩。”

這種性能難題大多數全是因為聚合物趨向無定形狀或熵錯亂的狀況造成的。“聚合物便于生產加工產生有效的幾何圖形樣子，但分子能夠 根據聚合物膜挪動的間距隨時間而轉變。”史密斯說。“難以操縱多孔結構態內部的隨意容積。”

規定最嚴苛的可選擇分離規格僅有一些之一埃分子。為了更好地解決這一挑戰，史密斯試驗室正在嘗試在聚合物中加上納米特點和有機化學作用，以完成更粗粒度的分離。史密斯說，“新型材料能夠 ‘消化吸收一種分子并回絕另一種分子’。”。

為了更好地造就更高通量測序和高些可選擇性的聚合物膜，史密斯的精英團隊正將麻省理工大學試驗室開發設計的新式聚合物與模版井然有序構造反映成傳統式混亂的不定形聚合物。如同他表述的那般，“隨后，大家用一種納米技術規格的袋子開展生成后處理工藝，產生外擴散途徑。”

雖然史密斯試驗室在很多技術性上獲得了取得成功，但完成高容運用需要的擴散系數依然是一個挑戰。因為有機化學和石油工業應用了200各種不同種類的水蒸氣蒸餾分離加工工藝，這促使難題復雜化。殊不知，這也是一個優點，當引入新技術應用時，科學研究工作人員能夠 找尋利基，而不是嘗試一夜之間更改領域。

“大家已經找尋最具知名度的總體目標。”史密斯說。“大家的塑料薄膜技術性占地小，因而您能夠 在邊遠地區或水上原油服務平臺上應用他們。”

因為塑料薄膜體型小，重量較輕，因此乘飛機早已應用膜從空氣中分離N2。隨后將N2用于涂汽車油箱以防止崩裂。在偏僻的天然氣井中，膜也被用于除去二氧化碳，而且早已在一些很大的石油化工運用(比如氡氣除去)中找到適合的部位。

史密斯的總體目標是擴張到超低溫精餾設備的武器裝備上來，這必須極大的動能來造成極端化制冷。 在原油化工中，包含丁二烯-己烷，氮-甲烷氣體和氣體的分離。 很多塑膠日用品是由丁二烯做成的，因而減少生產制造全過程中的電力能源成本費能夠 產生極大的盈利。

“根據超低溫水蒸氣蒸餾，不但要分離尺寸相仿且熱學特性相仿的分子。”史密斯說：“精餾設備的高寬比能夠 做到200或300英寸，水流量十分高，因而分離的成本費很有可能達到數十億美元，維持真空泵與在-120℃下電腦操作系統需要的動能是極大的。

聚合物膜的別的潛在性運用包含“找尋別的方式從N2或甲烷氣體中除去二氧化碳或分離不一樣種類的石臘或化工原料。”史密斯講到。

碳捕捉和保存也是潛在性運用范疇。 他說道：“假如今天有二氧化碳捕捉的經濟發展推動力，那麼碳捕集量將是膜的較大 使用量乘于10倍。 我們可以生產制造一種消化吸收二氧化碳的蜂窩狀原材料，并合理地將其分離，便于將其充壓并將其存儲在地底。”

在汽體分離中應用聚合物膜時的一個挑戰是聚合物一般由氮氧化合物做成。 史密斯說：“假如你的聚合物中帶有同樣種類的氮氧化合物成份，那麼你嘗試分離的聚合物會澎漲，融解或喪失分離性能。大家期待將非氮化合物成分如氟引進到聚合物中，便于使膜與烴基化合物能夠更好地相互影響。”

史密斯也已經試著向聚合物加上MOFs(金屬材料有機化學框架化學物質)。根據將金屬離子或金屬材料團簇與有機化學連接體聯接在一起產生的MOFs不但能夠 處理氮氧化合物難題，并且還能夠處理熵混亂難題。

“MOFs原材料給你產生一個，2個，或者永久性多孔結構的三維分子結構。” 史密斯說。“一茶匙MOFs有一個足球場地的內面積那么大，因此你能考慮到功能性MOFs的內表層來可選擇性地融合或回絕一些分子，還可以界定孔的樣子和幾何圖形樣子以容許一個分子根據而另一個被拒絕。”

與聚合物不一樣，MOFs構造一般始終不變樣子，因此伴隨著時間的變化，孔眼保持的更長久。 此外Smith說：“他們不象一些聚合物那般根據脆化全過程溶解。大家遭遇的挑戰是如何把晶體材料列入能夠 做成塑料薄膜的加工工藝中，大家已經采用的一種方式是將MOFs做為納米顆粒分散化到聚合物中，那樣能夠 使你在維持MOFs的另外，靈活運用MOFs的高效率和生產效率。”

引進MOFs提高聚合物膜的一個潛在性優點是加工工藝加強：在一個流程中捆縛不一樣的分離或催化反應全過程以完成高些的高效率。史密斯說：“你能考慮到合拼一種可以分離混合氣并容許化合物另外開展催化反應速度的MOFs原材料。一些MOFs還可以做為偶聯劑，而不是應用立即化學交聯在一起的聚合物。你能在分散化于聚合物栽培基質中的MOFs顆粒物中間取得聯系，這將為分離造就大量的可靠性。”

因為其多孔結構特性，MOFs有可能被用于“捕捉氡氣，甲烷氣體，乃至在一些狀況下能夠 用于捕獲二氧化碳。”史密斯說。 “假如生產制造出恰當種類的蜂窩狀構造，能夠 得到 很高的消化率。殊不知，尋找可以以十分高的容積有可選擇性地黏合這種部件之一的原材料是一個挑戰。”

相近的MOFs運用是將存儲氡氣或燃氣給自助加油。史密斯說：“在燃料箱中應用多孔結構能夠 給你容下大量的氡氣或甲烷氣體。

史密斯警示講到，MOFs科學研究很有可能必須數十年才可以獲得成效。殊不知他的試驗室聚合物科學研究也有較長的路要走，預估將來五到十年內將會出現商業服務解決方法。

他說道：“此項科學研究可能是一個真實的游戲改變者。”

來源于：原材料科技在線