Metalorganiske rammer reducerer energiforbruget af petrokemikalier

I den kemiske og den petrokemiske industri, at adskille molekyler på en energieffektiv måde er en af ​​de vigtigste udfordringer. Samlet set, separationsprocesserne tegner sig for omkring 40 % af energiforbruget i den petrokemiske industri, og at reducere dette kan hjælpe med at håndtere menneskeskabte kulstofemissioner.

Et af de vigtigste produkter i den petrokemiske industri er propylen, som er meget udbredt i fibre, skum, plast osv. Rensning af propylen kræver næsten altid at adskille det fra propan. I øjeblikket sker dette ved kryogen destillation, hvor de to gasser gøres flydende ved at blive afkølet til minusgrader. Dette giver propylen-propan-separationsprocessen et meget stort energifodaftryk.

En løsning er at bruge "metal-organiske rammer" (MOF'er). Disse er porøse, krystallinske polymerer lavet af metalknuder, der er forbundet med organiske ligander. Porerne i deres molekylære struktur gør det muligt for MOF'er at fange molekyler så effektivt, at de nu er hovedkandidater inden for forskning i kulstoffangst.

Med hensyn til adskillelse af molekyler, MOF-baserede membraner er blandt de mest effektive, og kan udføre propylen-propan-separationen ved omgivelsestemperatur. En MOF kaldet ZIF-8 (zeolitiske imidazolium frameworks-8), tillader propylen at diffundere gennem sine porer 125 gange mere effektivt end propan ved 30oC, tilbyder høj selektivitet uden behov for minusgrader.

"Hovedudfordringen med denne tilgang er at syntetisere høj kvalitet, ultra tynd, MOF-film på kommercielle porøse substrater uden komplicerede substratmodifikationer, " siger professor Kumar Varoon Agrawal ved EPFL. "Sådanne højkvalitetsfilm har færre defekter og er nødvendige for at opnå den højest mulige separationsselektivitet." Hans laboratorium på EPFL Sion har nu udviklet en ligetil MOF-krystalliseringstilgang kaldet "elektroforetisk kernesamling til krystallisering af stærkt sammenvoksede tyndfilm" (ENACT).

ENACT-metoden tillader simpel regulering af den heterogene nukleering på umodificerede (som opnået) porøse og ikke-porøse substrater. Dette letter igen syntesen af ​​ultratynd, stærkt sammenvoksede polykrystallinske MOF-film.

Laboratoriet brugte ENACT-metoden til at syntetisere 500 nm tykke MOF-membraner. Da de testede dem, membranerne gav en af ​​de bedste separationsegenskaber inden for propylen/propanseparation registreret til dato. Den ultratynde film gav stor propylenpermeans (flux normaliseret med trykforskel), som vil hjælpe med at reducere det nødvendige membranareal til industrielle applikationer.

Gruppen konkluderer, at den alsidige, enkel ENACT-metode kan udvides til en bred vifte af nanoporøse krystaller.