Nanocomposite Membrane Containing Bio-nanofibers and Mimic Enzyme for CO2 Separation

Prosjektet NanoMBE har som mål å utvikle bio-baserte nanokomposittmembraner som kan gi en signifikant forbedring i separasjon av CO2 fra røykgass fra kraftverk (CO2/N2-separasjon) og som kan oppgradere biogass (CO2/CH4-separasjon). Nanokomposittmembranene er designet for å imitere bio-membraner, for eksempel membranene i menneskets lungeblærer. Syntetiske bio-katalysatorer skal inkluderes i membranene for å etterligne virkningen av ensymer i pattedyrs lungesystem. Nanokomposittmembranene blir mer effektive ved at de syntetiske biokatalysatorene akselererer reaksjonshastigheten til CO2 (gjennom fasilitert transport) og at polymere og nanofiber som absorberer vann fra røykgassen gir høy diffusjonshastighet for CO2. Det er ventet at både selektiviteten og permeansen til membranene kan forbedres simultant til nivå som tidligere ikke har vært mulige og følgelig overgå den såkalte Upper Bound. Spesialdesignede bio-nanofibre har blittutviklet og brukt i dette prosjektet med norsk trevirke som råvare. Hvis prosjektet er vellykket er det forventet at det vil bidra betraktelig til et bedre miljø og redusert klimabelastning. Prosjektet kan også bidra til økt bruk av biogass som en fornybar energikilde. Mer spesifikt har prosjektet handlet om om å teste ulike typer nanocellulose i fabrikkering av membraner for CO2 separasjon, i tillegg til å undersøke fundamentale egenskaper til membran-materialene, for eksempel polymerer, forskjelligetyper nanocellulose og de respektive nanokompostittene. For nanocellulose har fokus vært å undersøke fritt volum og struktur ved hjelp av røntgenteknikker. Fritt volum er blitt linket til gasspermeasjon, og forståelsen av materialstrukturen er viktig med tanke på å forstå materialenes virkemåte og å kunne forbedre dem. Et annet fokusområde i prosjektet har vært å gjøre en grundig undersøkelse av CNC, siden tidligere studier viser at denne type nanocellulose gir de beste separasjonsegenskapene. Dette innebærer optimalisering av CNC-konsentrasjon, testing av vannopptak samt forsøk på å finne sammenheng mellom disse egenskapene og membranens ytelse. I tillegg har flere polymerer blitt testet for å optimalisere polymermatrisen for tilsetting av CNC og syntetiske biokatalysatorer. Senere har P-CNF (fosforylerte nanofibre av cellulose) blitt studert og effekten av forskjellige nanocellulose-egenskaper (ladning og størrelse) på separasjonsegenskaper er evaluert. Gjennom en ny produksjonsmetode har P-CNF med høy ladning (H-P-CNF) blitt fremstilt. Gjennom sentrifugering av H-P-CNF er det oppnådd en P-CNF som har høyere ladning og uniform størrelsesfordeling i nanoskala (H-P-CNF-S). H-P-CNF/PVA og H-P-CNF-S/PVA nanokomposittmembraner er fabrikkert og de har betydelig bedre separasjonsegenskaper enn rene polymermembraner. For eksempel, funksjonaliserte bio-nanofibre har blitt fabrikkert ved TEMPO oksidasjon for å få dannet COO- grupper på overflaten og fosforylering for å få dannet O-HPO3-/O-PO3- grupper på overflaten for å forbedre separasjonsegenskapene til membranenePolyaminer har blitt festet på overflaten til aldehydgrupper gjennom aminkoblingsreaksjoner. Nanokomposittmembraner med forskjellige typer nanocellulose har blitt produsert, karakterisert og evaluert om hvordan de skiller CO2 fra N2. Vannopptak, fritt volum og nanostrukturer til PVA filmer og PVA/nanocellulose kompositter har blitt studert ved bruk av forskjellige karakteriseringsmetoder. Fritt volum har blitt korrelert til gass transport, kunnskap som er nøkkelen til å forstå hvordan membranene fungerer og kan forbedres. I tillegg har flere polymerer blitt testet for å optimalisere polymermatrisen for tilsats av nanocellulose og de syntetiske bio-katalysatorene. I de senere faser av prosjektet har ladning og størrelsesfordeling av fosforylert CNF (P-CNF) blitt utforsket og effekten av disse egenskapene på separasjonsegenskapene til nanokomposittene har blitt studert. P-CNF med høy ladning (H-P-CNF) og uniform størrelsesfordeling i nanoskala (H-P-CNF-S) har blitt fabrikkert og brukt som nanofyllstoff i mmebranene, og bidratt til betydelig forbedring i separasjonsegenskaper. En transportmekanisme er foreslått; Tilsetningen av nanocellulose omfordeler vann i kompositten til nanocellulose / PVA-grensesnittet. En gunstig vei for CO2-transport er opprettet, hvor CO2-molekyler kan passere lettere på grunn av en mindre innviklet vei med høyere CO2-løselighet. I løpet av prosjektperioden har tre Ph.D kandidater forsvart deres doktorgrad, og fire masterstudenter er uteksaminert. Det internasjonale samarbeidet med USA har blitt styrket gjennom utveksling av studenter / forskere, inkludert et 7-måneders forskningsopphold på Ph.D. student Jonathan Torstensen ved NC State University i 2017 (Raleigh, North Carolina, USA). Forskningsresultatene fra prosjektet inkluderer også publisering av 12 fagfellevurderte vitenskapelige artikler og > 12 presentasjoner i internasjonale konferanser (EuroMembranes, TCCS, and RMS).

The outcomes and impacts of the project can be summarized as 1) Advancement of knowledge and competences in the new field of nanocellulose-based membranes for CO2 capture and the mechanism of CO2 transport through this type of membranes with the presence of water vapor. Through communication and dissemination, the outcomes of the project have shown a significant impact in the scientific community, which could be the starting point of future research in several fields, not limited to CO2 capture applications. 2) Education for three Ph.D. students and four master students: The project has given students a high-quality scientific training, and the project results have been taken as examples in the classrooms as teaching materials at NTNU. 3) New project ideas have been derived, including a verification project (Mimic Enzyme Membrane, 2017), a Horizon2020 project entitled NanoMEMC2 (2016-2019), and a new Nano2021 project proposal (NanoHigh5, 2018).

The project entitled ?NanoMBE? ?Nanocomposite Membrane Containing Bio-nanofibers and Mimic Enzyme for CO2 Separation, is aimed to develop bio-based nanocomposite membranes that can significantly increase separation performance for CO2 capture from power p lant flue gas (CO2/N2 separation) and the upgrading of biogas (CO2/CH4 separation). A type of highly efficient nanocomposite membrane is designed using immobilized mimic enzyme with functionalized bio-nanofibers. This membrane takes advantages of the fac ilitated transport mechanism, the quick reaction of CO2 promoted by mimic enzyme and the high diffusion rate of gases or ions in water swollen polymers/nanofibers. The introduction of mimic enzyme (synthetic zinc complexes resembling the active site of C A enzymes) to mimic the bio-catalytic process of the CO2/HCO3- reaction cycle in the membrane is expected to increase CO2 permanence and selectivity of membranes at the same time and to break through the so-called ?upper bound?. The membrane is expected t o reach a high CO2 permeance (>10m3/m2 h bar) with CO2/N2 selectivity (>100) or CO2/CH4 selectivity (>45). Specially tailored bio-nanofibers are to be developed in this project, which may benefits the exploit of bio-product from one of Norway?s most impor tant natural resources, i.e. trees, so as to increases value creation based on natural resources. Despite of all these advantages, reports on such membranes for CO2 separation can barely be found. The success of the proposed new technology can significant ly reduce the environmental and climate impacts and promote the use of renewable energy in Norway.