Вы можете сделать фильтры углекислого газа с помощью 3D

Государственный университет Северной Каролины

В новом исследовании исследователи из Университета штата Северная Каролина продемонстрировали, что можно создавать фильтры для улавливания углекислого газа с помощью 3D-печати. В частности, они напечатали гидрогелевый материал, который может содержать карбоангидразу — фермент, ускоряющий реакцию, превращающую углекислый газ и воду в бикарбонат.

Результаты, опубликованные в журнале Gels, предполагают, что 3D-печать может стать более быстрым и универсальным методом создания конструкций фильтров.

«Этот производственный процесс с использованием 3D-печати делает все быстрее и точнее», — сказал ведущий автор исследования Цзялун Шен, доцент кафедры текстильной инженерии, химии и науки в штате Северная Каролина. «Если у вас есть доступ к принтеру и сырью, вы можете сделать этот функциональный материал».

В ходе исследования исследователи из Текстильного колледжа штата Северная Каролина Вильсона смешали раствор, содержащий два разных органических соединения – или печатные «чернила» – и фермент, называемый карбоангидразой. Затем исследователи напечатали нитевидные нити гидрогеля в двумерную сетку, одновременно затвердевая раствор ультрафиолетовым светом во время печати.

«Мы разработали гидрогель таким образом, чтобы он был достаточно механически прочным, чтобы его можно было напечатать на 3D-принтере, а также экструдировать в непрерывную нить», — сказал Шен. «Вдохновением для нашего дизайна послужили наши собственные клетки, ферменты которых упакованы в отдельные пространства, заполненные жидкостью. Такая среда хороша для того, чтобы помочь ферментам выполнять свою работу».

Исследователи проверили свойства материала, чтобы понять, насколько хорошо он будет гнуться и скручиваться, а также исследовали эффективность улавливания углерода фильтром. В ходе небольшого эксперимента они обнаружили, что фильтр улавливает 24% углекислого газа в газовой смеси. Хотя скорость улавливания ниже, чем в предыдущих конструкциях, диаметр фильтра составлял менее дюйма (2 см), и его можно было сделать больше и иметь другую модульную форму, чтобы сложить их в высокую колонну. . По словам исследователей, это может повысить эффективность улавливания.

«Чтобы добиться более высокой скорости улавливания, нам нужно будет увеличить диаметр фильтра или сложить больше фильтров друг на друга», — сказал Шен. «Мы не думаем, что это проблема; это было первоначальное испытание в небольшом масштабе для простоты тестирования».

Исследователи также проверили фильтрующую способность материала и обнаружили, что он сохранил 52% своей первоначальной эффективности улавливания углерода после более чем 1000 часов.

«Эта работа все еще находится на ранней стадии, но наши результаты показывают, что существуют новые способы изготовления материалов для устройств улавливания углерода», - сказала соавтор исследования Соня Салмон, доцент кафедры текстильного машиностроения, химии и науки в штате Северная Каролина. «Мы даем надежду на улавливание углерода».

Исследование «Экструдированные гидрогелевые гибкие нити из экструдированного гидрогеля PEG-DA/PEO, усиленные карбоангидразой и сшитые УФ-излучением, и прочные сетки для улавливания CO₂» было опубликовано в Интернете в журнале Gels. Соавторами были Сен Чжан и Сяомэн Фан. Финансирование было предоставлено Государственным университетом Северной Каролины, Фондом Ново Нордиск и Альянсом за устойчивую энергетику, LLC, управляющим и эксплуатационным подрядчиком Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США.

-оленяч-

Примечание для редакции:Аннотация исследования следует ниже.

Экструдированные гидрогелевые нити из ПЭГ-ДА/ПЭО, усиленные карбоангидразой, сшитые УФ-излучением, гибкие нити и прочные сетки для улавливания CO ₂

Авторы: Цзялун Шен, Сен Чжан, Сяомэн Фан и Соня Салмон

Опубликовано: 16 апреля 2023, Гели

ДОИ:10.3390/гели9040341

Абстрактный: В этом исследовании поли(этиленгликоль)диакрилат/поли(этиленоксид) (ПЭГ-ДА/ПЭО) гидрогели с взаимопроникающей полимерной сеткой (IPNH) были экструдированы в 1D нити и 2D сетки. Была подтверждена пригодность этой системы для иммобилизации ферментов и улавливания CO2. Химический состав IPNH был проверен спектроскопически с использованием FTIR. Экструдированная нить имела среднюю прочность на разрыв 6,5 МПа и удлинение при разрыве 80%. Нить IPNH можно скручивать и сгибать, поэтому она пригодна для дальнейшей обработки с использованием традиционных методов изготовления текстиля. Начальное восстановление активности захваченной карбоангидразы (КА), рассчитанное по активности эстеразы, показало снижение с увеличением дозы фермента, в то время как сохранение активности образцов с высокими дозами фермента составило более 87% после 150 дней повторной промывки и тестирования. Сетки IPNH 2D, которые были собраны в упаковки со спиральной рулонной структурой, продемонстрировали повышенную эффективность улавливания CO2 с увеличением дозы фермента. Долгосрочная эффективность улавливания CO2 структурированной насадки IPNH с иммобилизованным CA была проверена в эксперименте с непрерывной рециркуляцией растворителя в течение 1032 часов, в котором сохранялось 52% первоначальной эффективности улавливания CO2 и 34% вклада фермента. Эти результаты демонстрируют возможность использования быстрой УФ-сшивки для формирования иммобилизованных ферментами гидрогелей с помощью геометрически контролируемого процесса экструзии, в котором используются аналогичные линейные полимеры как для повышения вязкости, так и для целей перепутывания цепей, и достигается высокое сохранение активности и стабильность характеристик иммобилизованного СА. . Потенциальное использование этой системы распространяется на чернила для 3D-печати и матрицы иммобилизации ферментов для таких разнообразных применений, как биокаталитические реакторы и производство биосенсоров.