Serat Karbon Poros Ultra-Permeable: Adsorpsi & Konduktivitas Luar Biasa
Serat karbon poros baru Toray (kiri atas, menunjukkan poros pusat rongga) memiliki struktur pori nano- atau mikro-skala yang dapat dikontrol di seluruh serat (kanan atas). Struktur poros ini membantu membuat material menjadi medium filtrasi efektif yang berguna sebagai struktur penopang membran pemisah gas. Karena karbon juga memiliki properti adsorpsi yang dikenal (untuk filtrasi kimia dan fisik), dan merupakan konduktor termal dan listrik yang efektif, serat karbon poros juga dapat digunakan dalam sistem baterai tingkat lanjut 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 poros pertama di dunia dengan struktur pori nano dan/atau mikro kontinyu, yang diharapkan dapat dikomersialkan dalam lima tahun ke depan. Secara khusus, 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 sendiri menggunakan banyak energi dan menghasilkan emisi CO2 yang signifikan. Pendekatan baru yang lebih berkelanjutan untuk pemisahan gas menggunakan membran nanopori untuk filtrasi gas yang menggunakan energi yang jauh lebih sedikit. Namun, meskipun menunjukkan janji, Toray mengatakan bahwa hingga saat ini metode ini belum memiliki efisiensi dan daya tahan yang diperlukan untuk penggunaan skala besar dan jangka panjang.
Menurut perusahaan, produk serat karbon poros baru Toray dapat membantu menyelesaikan masalah ini — dengan potensi untuk digunakan dalam produksi hidrogen untuk sel bahan bakar — dengan meningkatkan performa membran pemisahan gas saat ini, membuat membran lebih tipis, lebih ringan, lebih kompak dan lebih tahan terhadap panas, tekanan dan kimia.
Medium filtrasi poros
Medium filtrasi nanopori dan mikropori bukan hal baru. Beberapa polimer — sebagian besar termoplastik — digunakan untuk menghasilkan membran datar nanopori serta serat nanopori. Aplikasi typis mencakup filter air berkinerja tinggi (untuk air industri dan air minum); filtrasi minuman dan makanan (untuk meningkatkan warna, bau, atau rasa); filter medis (untuk pemisahan darah (aféresis) dan filtrasi darah (dialisis)); serta pemisahan gas industri (untuk berbagai industri dan proses, termasuk kimia dan petrokimia, listrik, pertambangan, pembuatan baja, medis, produksi pupuk, perlindungan lingkungan, elektronik dan penerbangan).
Polimer paling umum yang digunakan untuk aplikasi filtrasi berkinerja tinggi mencakup polyethersulfone (PES), polysulfone (PSU), polyvinylidene fluoride (PVDF), polytetrafluoroethylene (PTFE) dan cellulose acetate (CA). Untuk kondisi filtrasi yang paling menuntut — seperti suhu tinggi atau rendah, kimia agresif, atau aplikasi dengan kadar padatan tinggi — keramik (seperti aluminium oksida) dan logam (seperti titanium dioksida dan stainless steel) juga digunakan.
Bergantung pada kebutuhan aplikasi, medium filtrasi dapat diproduksi dalam beberapa tingkat porositas yang berbeda dengan ukuran pori sekitar 0,1 mikrometer untuk mikrofilterasi, 0,01 mikrometer untuk ultra filterasi, 0,001 mikrometer untuk nano filterasi dan 0,0001 mikrometer untuk osmosis terbalik.
Untuk medium filtrasi berkinerja tinggi, persyaratan teknis kritis mencakup: resistensi kimia yang baik dan luas, tidak hanya terhadap bahan yang dipisahkan tetapi juga terhadap sodium hipoklorit, agen disinfeksi umum yang digunakan untuk membersihkan membran; kekuatan mekanik yang baik, karena banyak filter menerapkan tekanan tinggi untuk memaksa pemisahan padatan, cairan dan gas; permeabilitas, untuk memberikan fungsi filtrasi; dan fouling rendah, sehingga membran dapat dibersihkan untuk operasi yang efisien, fungsional, dan jangka panjang.
Serat karbon poros
Bahwa serat karbon dapat digunakan sebagai medium filtrasi nanopori menarik dalam beberapa cara. Pertama, aktif karbon — bentuk karbon dengan volume kecil lubang kecil yang digunakan untuk meningkatkan luas permukaan yang tersedia untuk adsorpsi dan/atau reaksi kimia — lama digunakan sebagai satu komponen dalam berbagai sistem filtrasi yang kinerjanya lebih rendah. Dengan suplai orbital kosong yang melimpah dari karbon atomik, dan luas permukaan yang meningkat dari aktif karbon, material dapat menjadi medium yang efektif untuk menangkap dan mengikat (mengadsorpsi) berbagai zat aktif. Sayangnya, karena aktif karbon pada dasarnya padat, fungsi permeasi sebagian besar terbatas pada permukaan substrat, dan fungsi filtrasi terutama fisik (bukan kimia), yang membatasi jenis dan ukuran zat yang dapat dipisahkan secara efektif.
Dalam kasus serat karbon poros Toray — atau bubuk yang dihasilkan dari penggerindaan serat tersebut — pori-pori kontinyu di seluruh struktur, yang berarti produk yang dibuat dari material harus dapat menyaring baik secara fisik maupun kimiawi. Dengan memanfaatkan properti adsorpsi karbon atomik, serat karbon nanopori terbukti berguna untuk material elektroda dan pembawa katalis dalam baterai berkinerja tinggi. Lebih lagi, karbon dalam semua bentuk padatnya baik merupakan konduktor termal yang baik maupun konduktor listrik yang baik — fitur yang dapat berguna dalam aplikasi tertentu.
Toray melaporkan bahwa baik ukuran pori (mikro- hingga nano-level) maupun bentuk pori lintang dapat dikontrol dalam produknya terlepas dari apakah mereka membuat serat poros "padat" atau serat poros rongga (dengan poros pusat sepanjang serat). Hingga saat ini, Toray telah mampu menciptakan pori "besar" serta "kecil" (meskipun tidak ada spesifikasi mengenai ukuran pori aktual yang disediakan). Karena serat karbon sudah dikarbonisasi dan digrafitis, ia kimiawi stabil dan sangat kaku serta kuat — properti yang juga dapat dimanfaatkan dalam produksi membran pemisahan gas yang lebih kuat dan lebih kompak.
Dilaporkan, perusahaan mengandalkan tiga bidang keahlian internal untuk mengembangkan produk baru: polimer, serat karbon, dan teknologi membran pemisahan/filtrasi air.
Pada 11 Desember 2019, Toray mengadakan upacara pemotongan pita untuk membuka R&D Innovation Center for the Future baru. Fasilitas dua gedung, di lokasi pabrik Shiga di Otsu, Jepang, di mana perusahaan memulai operasi pada tahun 1926, akan berfungsi sebagai kantor pusat global untuk sejumlah inisiatif strategis, termasuk serat karbon poros, dengan melibatkan institusi akademik dan mitra industri dari berbagai bidang. Toray melaporkan perusahaan sudah bekerja sama dengan beberapa mitra untuk lebih baik memanfaatkan keahlian masing-masing organisasi untuk mendorong komersialisasi membran pemisahan gas tingkat lanjut untuk mendukung metode hemat dan ramah lingkungan untuk pemurnian gas alam dan biogas serta produksi hidrogen untuk sel bahan bakar yang mendayakan kendaraan listrik dan bangunan. Tim itu mengatakan telah mengembangkan konsep untuk jenis baru membran pemisahan gas yang akan lebih tahan terhadap panas, kimia dan tekanan. Dengan menggabungkan serat karbon poros Toray sebagai lapisan pendukung dan teknologi mitra untuk lapisan pemisahan gas, sistem empat lapis yang diusulkan seharusnya mampu memisahkan dan memurnikan gas alam (lapisan A), biogas (lapisan B), hidrogen (lapisan C) dan propilena (lapisan D).
Perusahaan juga melaporkan bahwa terus melakukan penelitian tentang material baru ini untuk mendorong daur ulang karbon, memanfaatkan produksi energi hidrogen dan menurunkan jejak lingkungan industri. Ini adalah salah satu tangga dari Visi Keberlanjutan Grup Toray untuk membantu mewujudkan ekonomi rendah karbon pada tahun 2050 melalui kontribusi pada isu lingkungan, manajemen sumber daya dan energi.
