Xenonin käsittelyn piilevät haasteet

Xenon, jalo kaasu palkittu sen inerttävä luonne ja valo-ominaisuudet, on välttämätön edistyneimmän valaistusjärjestelmät (kuten suurtehopurkauslamput), lääketieteen kuvantaminen (varjostimena CT ja MRI skannaukset), ja avaruus-propulsio. Vaikka se monipuolisuus, ksenon on merkittäviä logistisia esteitä. Kaasu on varastoitava suurilla paineilla.Tällainen asteittainen menetys ei ole vain taloudellinen vuoto (xenon kustannukset noin $ 10 litraa kohti standardiolosuhteissa) vaan se aiheuttaa myös turvallisuusriskejä rajoitetuissa tiloissa. Lisäksi, tavanomaiset materiaalit voivat tulla brittle aikana toistuvia paineistusjaksoja tai korroosiota altistuessaan jäännnälle kosteudelle tai vieraille. Nämä rajoitukset ovat ajaneet etsimä kehittyneitä materiaaleja, jotka yhdistyvät suuri voima, kemiallinen inertness, ja alhainen fluorenssi.

Xenonin eristämisen uudet materiaaliluokat

Viime aikoina tapahtunut kehitys materiaalitieteessä on tuottanut useita lupaavia ehdokkaita, jotka ovat puuttuneet perinteisten varastointijärjestelmien puutteisiin. Näitä materiaaleja arvioidaan niiden kyvyn mukaan kestää äärimmäisiä paineita, vastustaa kaasun leviämistä ja ylläpitää rakenteellista eheyttä vuosien käytön aikana. Alla tarkastellaan kolmea johtavaa materiaaliperhettä.

Metalli- ja orgaaniset puitteet

Moofit ovat kiteitä metalliionien verkostoja, jotka on liitetty orgaanisiin ligandeihin, luoden huokoisia rakenteita, joilla on valtava pinta-ala.Nämä huokoset voivat joissakin tapauksissa ylittää 7000 m2 grammalta. Nämä huokoset voivat adsorb ksenoniatomien kautta heikko Van der Waals voimia paineilla, jotka ovat paljon pienempiä kuin mitä tarvitaan irtotavaran nesteytykseen. Vuonna [ julkaistussa]Luontotiedon [] tutkimuksessa on myös osoitettu, että tietty MOF (SBMOF-2) voisi ottaa ksenonin kaasuseoksista niinkin alhaisella osapaineella kuin 0,02 baaria, mikä vähentää kryogeenisen tai korkeapaineisen varastoinnin tarvetta. Kun komposiittivuoriin on integroitu, MOF-pohjaiset molekyylit toimivat sienenä, absorboivat ksenonimolekyyliä ja alentavat merkittävästi sisäistä säiliöpainetta.

Kehittyneet polymeerikomposiittit

Kevyet komposiittipaineastiat (COPV) ovat standardisoituja ilma-aluksissa, jotka varastoivat heliumia ja happea, mutta ksenon-sulautuma vaatii polymeerin läpäisevyyden poistamista. Puhtaat polymeerit, kuten polyeteeni tai PTFE, sallivat mitattavissa olevan ksenonidiffuusion viikkojen ajan, mikä johtaa sietämättömiin häviöihin. Leikkaavien komposiitteihin sisältyy läpäisemättömiä esteitä, kuten grafiittioksidihiutaleet tai eksikuliitti polymeerimatriisin sisällä. Nämä nanotäyttölaitteet luovat erittäin tärkeitä polkuja, jotka laajentavat ksenonimolekyylien diffuusiomatkaa suuruusmäärin. Sandian johtama konsortio raportoi hiilikuitukääreillä komposiittilinjan, jonka ksenonilihetekerroin on alle 10-15 mol·m/(m2·s·Pa) . Lisäksi nämä komposiittit voidaan vahvistaa yli 5000 psi:n paineilla, kun paino on alle 60 prosenttia.

Nanostrukturoidut seokset ja metallilasit

Metallisylinterien osalta kerjääminen ja väsymisenkestävyys on johtanut mikrorakenteellisesti valmistettuihin seoksiin. Perinteinen 316L ruostumattomasta teräksestä kärsii vedyn aiheuttamasta jännityskrakkauksesta, kun se altistuu kaasuille, jotka eroavat metallipinnasta.xenon ei erota toisistaan, mutta pyöräilystä johtuva mekaaninen väsymys on edelleen ongelma. Uudet nanokiteet, kuten Fe-Cr-Ni-Mo-kaasujen variaatio, joka on käsitelty korkeapainetorsiolla, ja joka on peräisin alle 100 nm:n jyväkoosta. Nämä nanogranaatit estävät halkeaman käynnistymisen ja leviämisen, mikä mahdollistaa sylinterin käyttöiän yli 10 000 paineistussykliä. Zr-pohjainen metallilasisto, joka perustuu zirkoniumiin ja titaaniseoksiin, tarjoavat toisen reitin: amorfinen rakenne poistaa raerajat (yhteiset kaasun läpäisemisen reitit). Acta Materia[ Acta Materialia[[]]].

Uusmateriaalien turvallisuus- ja testausprotokollat

Uusien materiaalien hyväksyminen ksenonvarastoon edellyttää tiukkaa sertifiointia kansainvälisten standardien, kuten ISO 11513 (putkiperävaunut) ja ISO 9809 (saumattomat terässylinterit), mukaisesti. Testausjärjestelmiin kuuluu murtumispaineen tarkastus (tyypillisesti 4-5 kertaa käyttöpaine), syklinen väsymistestaus (≥ 10 000 sykliä), ja nopeutettu vanheneminen simuloiduissa kuljetusympäristöissä. MOF-pohjaisten konttien osalta tarvitaan adsorptio-desorptiokinetiikkaa koskevaa lisävalmiutta sen varmistamiseksi, että kaasu voidaan ottaa talteen vaaditulla virtausnopeudella. U.S. Department of Transportation (DOT) on myöntänyt erityislupia korkeapuhtauskaasuja sisältäville komposiittipulloille ilman katastrofaalista repeämää.

Taloudelliset ja ympäristöhyödyt

Elinkaarikustannusten väheneminen

Vaikka edistyneiden materiaalien komentaminen korkeampi etukäteen kustannus. MOF-lined komposiittisylinteri voi olla 2-3 kertaa kalliimpi kuin tavallinen teräspullo.kokonaiskustannukset omistajuuden yli 20 vuoden käyttöikä voi olla pienempi. Ensisäästöt tulevat vähentyneestä kaasuhäviöstä (tyypilliset terässylinterit menettävät 1-2 prosenttia vuodessa läpäisemisen vuoksi; MOF-järjestelmät voivat leikata sen alle 0,1 prosenttiin ja poistaa usein rehydrostaattisen testauksen. Lisäksi kevyemmät säiliöt mahdollistavat enemmän ksenonia per lähetys: vakio teräsputkiperävaunu kuljettaa 2,00 kg kaasua; komposiittiekvivalentti voi kuljettaa 3 100 kg (29%) saman painorajan puitteissa, leikkaamalla matkoja 22%.

Ympäristöjalanjälki

Xenon on niukka resurssi, joka on otettu talteen ilmanerotuksen sivutuotteena, ja mikä tahansa vapautuminen edistää ilmakehän kertymistä (vaikka se on vaaraton). Kuhunkin kiloon upotettu energia noin 2,5 kWh uuttamiseen ja puhdistukseen . Edistyneet materiaalit, jotka minimoivat vuodon, vähentävät suoraan hiilidioksidijalanjälkeä toimitettua yksikköä kohti. Lisäksi MOF-pullot voidaan syntetisoida biopohjaisista liittimistä ja nanokomposiittipullot on suunniteltu siten, että ne voidaan kierrättää: hiilikuitu ja polymeeri voidaan erottaa ja käyttää uudelleen, jos säiliö poistetaan käytöstä. Jotkut valmistajat ovat saavuttaneet kehdosta hautomaiseen globaalin lämpenemisen 40% alemman potentiaalin kuin perustason terässylinterit, mukaan elinkaariarviointi Euroopan teollisuuskaasujen Association.

Tulevaisuuden tutkimussuuntaukset

Useat uudet teknologiat lupaavat mullistaa ksenonin logistiikkaa. Alun perin vetyvarastoon kehitettyjä metallihydridikomposiitteja tutkitaan ksenonille, koska tietyt hydridit (esim. yttrimetrihydridi) voivat uudelleenimeytyä jalokaasuja eri mekanismin kautta. Vaikka vakaa kiertokulku on edelleen salaista.Cambridgen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet myös nestepohjaisen varastointiaineen: perfluorihiiliemulsion, joka voi liuottaa ksenonia korkealla pitoisuudella ja vapauttaa sen kysyntään lämpötilan muutoksen kautta, poistaen paineastiat kokonaan.

Adoption nopeuttamiseksi Xenon Innovation Consortium (johtavien materiaalilaboratorioiden ja teollisuuskaasuyhtiöiden välinen kumppanuus) on käynnistänyt yhteistyökokeilualustan, joka kierrättää ehdokasmateriaaleja reaalimaailman merenkulkuolosuhteiden kautta kolmen vuoden ajan. Ensimmäisestä vuodesta saadut varhaiset tulokset osoittavat, että MOF-linjalla olevat sylinterit ovat säilyttäneet nollavuoto- ja adsorptiokapasiteetin 2 000 tunnin simuloidun tärinän ja lämpötilan ääriarvojen jälkeen. Jos testi läpäisee, markkinoilla saattaa olla kaupallisia MOF-pohjaisia ksenonsylintereitä viiden vuoden kuluessa.

Päätelmät

Xenonin turvallista, tehokasta varastointia ja kuljetusta ei enää rajoiteta perinteisillä materiaaleilla. Metalliset ja orgaaniset puitteet, kehittyneet polymeerikomposiittit ja nanorakenteiset seokset tarjoavat kukin selkeitä etuja läpäisevyyden vähentämisessä, painon säästössä ja syklin eliniässä. Vaikka haasteet ovat edelleen standardoinnissa, sertifioinnissa ja kustannuksissa, kehityspolku on selvä: nämä innovatiiviset materiaalit tekevät pian perinteisistä teräspulloista vanhentuneita useimpiin ksenonsovelluksiin. Tutkimuslaitosten, standardointielinten ja teollisuuden välisen yhteistyön jatkaminen on välttämätöntä, jotta nämä ratkaisut saadaan markkinoille ja jotta varmistetaan, että maailmassa on kriittisiä terveydenhuolto-, ilmailu- ja valaistuspalveluja.