Serat karbon berpori:Permeabel, menyerap, dan konduktif
Serat karbon berpori baru Toray (kiri atas, menunjukkan poros tengah berongga) memiliki struktur pori berskala nano atau mikro yang dapat dikontrol di seluruh serat (kanan atas). Struktur berpori tersebut membantu menjadikan material sebagai media filtrasi yang efektif yang mungkin berguna sebagai struktur pendukung membran pemisahan gas. Karena karbon juga memiliki sifat adsorpsi yang terkenal (untuk filtrasi kimia dan fisika), dan merupakan konduktor termal dan listrik yang efektif, serat karbon berpori juga dapat digunakan dalam sistem baterai canggih dan pembawa katalis yang digunakan dalam pemrosesan kimia. Sumber | Toray Industries Inc.
Pada pertengahan November 2019, Toray Industries Inc. (Tokyo, Jepang) mengumumkan telah mengembangkan serat karbon berpori pertama di dunia dengan struktur pori berskala nano dan/atau mikro, yang diharapkan dapat dikomersialkan dalam lima tahun ke depan. . Secara khusus, salah satu aplikasi potensial untuk produk ini adalah penggunaan dalam teknologi pemisahan gas, yang digunakan oleh berbagai industri untuk memisahkan karbon dioksida (CO2 ), biogas, hidrogen, dan gas lainnya.
Toray melaporkan bahwa pendekatan konvensional untuk pemisahan gas terjadi di fasilitas besar yang menggunakan banyak energi dan menghasilkan CO yang signifikan2 emisi. Pendekatan pemisahan gas yang lebih baru dan lebih ramah lingkungan menggunakan membran nanopori untuk filtrasi gas yang menggunakan lebih sedikit energi. Namun, meskipun menjanjikan, Toray mengatakan bahwa hingga saat ini metode ini tidak memiliki efisiensi dan daya tahan yang dibutuhkan untuk penggunaan jangka panjang dalam skala besar.
Menurut perusahaan, produk serat karbon berpori baru Toray dapat membantu memecahkan masalah ini — dengan potensi untuk digunakan dalam produksi hidrogen untuk sel bahan bakar — dengan meningkatkan kinerja membran pemisahan gas saat ini, membuat membran lebih tipis, lebih ringan, lebih kompak, dan lebih mampu untuk menahan panas, tekanan, dan bahan kimia.
Media filtrasi berpori
Media filtrasi nano dan mikro bukanlah hal baru. Beberapa polimer — kebanyakan termoplastik — digunakan untuk memproduksi membran datar berpori maupun serat berpori. Aplikasi yang umum termasuk filter air berkinerja tinggi (untuk air industri dan air minum); penyaringan minuman dan makanan (untuk memperbaiki warna, bau, atau rasa); filter medis (untuk pemisahan darah (apheresis) dan penyaringan darah (dialisis)); serta pemisahan gas industri (untuk berbagai industri dan proses, termasuk bahan kimia dan petrokimia, listrik, pertambangan, pembuatan baja, medis, produksi pupuk, perlindungan lingkungan, elektronik, dan kedirgantaraan).
Polimer yang paling umum digunakan untuk aplikasi filtrasi kinerja tinggi termasuk polietersulfon (PES), polisulfon (PSU), polivinilidena fluorida (PVDF), politetrafluoroetilen (PTFE) dan selulosa asetat (CA). Untuk kondisi filtrasi yang paling menuntut — seperti suhu tinggi atau rendah, bahan kimia agresif, atau aplikasi dengan padatan tingkat tinggi — keramik (seperti aluminium oksida) dan logam (seperti titanium dioksida dan baja tahan karat) juga digunakan.
Tergantung pada kebutuhan aplikasi, media filtrasi dapat diproduksi dalam beberapa tingkat porositas yang berbeda dengan ukuran pori pada urutan 0,1 mikrometer untuk mikrofiltrasi, 0,01 mikrometer untuk ultrafiltrasi, 0,001 mikrometer untuk nanofiltrasi dan 0,0001 mikrometer untuk reverse osmosis.
Untuk media filtrasi berperforma tinggi, persyaratan teknis yang penting meliputi:ketahanan kimia yang baik dan luas, tidak hanya terhadap bahan yang dipisahkan tetapi juga terhadap natrium hipoklorit, bahan desinfektan yang umum digunakan untuk membersihkan membran; kekuatan mekanik yang baik, karena banyak filter menerapkan tekanan tinggi untuk memaksa pemisahan padatan, cairan dan gas; permeabilitas, untuk menyediakan fungsi filtrasi; dan pengotoran rendah, sehingga membran dapat tetap bersih untuk operasi jangka panjang yang efisien, fungsional.
Serat karbon berpori
Serat karbon yang dapat digunakan sebagai media filtrasi nanopori menarik dalam beberapa cara. Pertama, karbon aktif — suatu bentuk karbon dengan volume kecil lubang kecil yang digunakan untuk meningkatkan luas permukaan yang tersedia untuk adsorpsi dan/atau reaksi kimia — telah lama digunakan sebagai salah satu komponen dalam berbagai sistem filtrasi berperforma lebih rendah. Dengan pasokan orbital kosong yang cukup banyak dari atom karbon, dan luas permukaan karbon aktif yang meningkat, material tersebut dapat menjadi media yang efektif untuk menjebak dan mengikat (menyerap) berbagai zat aktif. Sayangnya, karena karbon aktif pada dasarnya padat, fungsi permeasinya sebagian besar terbatas pada permukaan substrat, dan fungsi filtrasinya terutama bersifat fisik (bukan kimia), yang membatasi jenis dan ukuran zat yang dapat dipisahkan secara efektif.
Dalam kasus serat karbon berpori Toray — atau bubuk yang dihasilkan dari penggilingan serat tersebut — pori-porinya kontinu di seluruh struktur, yang berarti bahwa produk yang dibuat dari bahan tersebut harus dapat menyaring baik secara fisik maupun kimia. Dengan memanfaatkan sifat adsorpsi atom karbon, serat karbon nanopori mungkin terbukti berguna untuk bahan elektroda dan pembawa katalis dalam baterai berkinerja tinggi. Terlebih lagi, karbon dalam semua bentuk padatnya merupakan konduktor termal yang baik serta konduktor listrik yang baik — fitur yang terbukti berguna dalam aplikasi tertentu.
Toray melaporkan bahwa ukuran pori (tingkat mikro hingga nano) dan bentuk pori penampang dapat dikontrol dalam produknya terlepas dari apakah mereka membuat serat berpori "padat" atau serat berpori berongga (dengan poros tengah sepanjang serat). Sejauh ini, Toray telah mampu membuat pori-pori “besar” dan “kecil” (walaupun tidak ada spesifikasi spesifik tentang ukuran pori yang disediakan). Karena serat karbon telah dikarbonisasi dan digrafit, serat karbon ini stabil secara kimiawi dan sangat kaku dan kuat — sifat yang juga dapat dimanfaatkan dalam produksi membran pemisahan gas yang lebih kuat dan lebih kompak.
Dilaporkan, perusahaan menggunakan tiga bidang keahlian internal untuk mengembangkan produk baru:polimer, serat karbon, dan teknologi membran pemisahan/penyaringan air.
Pada 11 Desember 2019, Toray mengadakan upacara pemotongan pita untuk membuka Pusat Inovasi Litbang untuk Masa Depan. Fasilitas dua gedung, di lokasi Pabrik Shiga perusahaan di Otsu, Jepang, tempat perusahaan mulai beroperasi pada tahun 1926, akan berfungsi sebagai kantor pusat global untuk sejumlah inisiatif strategis, termasuk serat karbon berpori, dengan melibatkan institusi akademik dan industri. mitra dari berbagai bidang. Toray melaporkan bahwa perusahaan telah berkolaborasi dengan beberapa mitra untuk lebih memanfaatkan keahlian masing-masing organisasi guna mendorong komersialisasi membran pemisahan gas canggih guna mendukung metode yang ekonomis dan ramah lingkungan untuk pemurnian gas alam dan biogas serta produksi hidrogen untuk sel bahan bakar yang menggerakkan kendaraan listrik dan bangunan. Tim itu mengatakan telah mengembangkan konsep untuk jenis baru membran pemisah gas yang akan lebih tahan terhadap panas, bahan kimia, dan tekanan. Menggabungkan serat karbon berpori Toray sebagai lapisan pendukung dan teknologi mitra untuk lapisan pemisahan gas, sistem empat lapisan yang diusulkan harus mampu memisahkan dan memurnikan gas alam (lapisan A), biogas (lapisan B), hidrogen (lapisan C). ) dan propilena (lapisan D).
Perusahaan juga melaporkan bahwa mereka melanjutkan penelitian terhadap bahan baru ini untuk mendorong daur ulang karbon, memanfaatkan produksi energi hidrogen, dan mengecilkan jejak lingkungan industri. Ini adalah salah satu bagian dari Visi Keberlanjutan Grup Toray untuk membantu mewujudkan ekonomi rendah karbon pada tahun 2050 melalui kontribusi terhadap masalah lingkungan, pengelolaan sumber daya, dan energi.
