Forbedring af fremtidens oprensning ved at bruge molekylær silhuet til at adskille forbindelser i væsker

Urene kemiske blandinger kan nu adskilles baseret på forskelle i molekylær silhuet. Membraner er udviklet med porer i nanoskala, der matcher formen af ​​urenheder i blandingen, så kun urenheden kan passere igennem. KAUST-forskere har foreslået, at den første anvendelse af disse metal-organiske rammer (MOF)-baserede formselektive membraner kunne være energieffektiv, billig rensning af naturgas.

MOF'er er organisk-uorganiske hybride krystallinske porøse materialer, der kan have forskellige typer porer gennem deres struktur. Ved at konstruere MOF'er ud fra forskellige organiske og uorganiske byggesten kan forskerne finjustere porestrukturen og blænden. MOF-membraner har tidligere vist et stort potentiale for at adskille blandinger af molekyler baseret på forskelle i deres størrelse eller polariserbarhed.

Naturgas, også kendt som metan, forventes at spille en stadig vigtigere rolle i den globale energiforsyning under overgangen til vedvarende energi. Næsten alle naturgasreservoirer er forurenet med nitrogen. "Kvælstoffet fortynder naturgassens varmeværdi, så det skal fjernes," siger Sheng Zhou, ph.d. studerende i Mohamed Eddaoudis laboratorium, der ledede forskningen.

Nitrogen er kemisk inert og ligner både i kinetisk form og polariserbarhed med metan, så det kan ikke fjernes af eksisterende membraner. "Til industriel naturgasrensning skal der være nitrogenafvisningsenheder baseret på kryogen destillation," siger Zhou. Denne ultra-lav temperatur separationsteknik er dyr og energikrævende.

Eddauodi, Zhou og deres kolleger har udviklet en meget effektiv MOF-baseret metode til at rense metan. "Vi designede en porøs membran, der adskiller nitrogen fra metan ved at udnytte en væsentlig forskel mellem molekylerne:deres form," siger Zhou.

Mens nitrogen har en stavlignende lineær struktur, har metan en trekantet trefoil-type profil. Holdet skabte et nyt membranmateriale ved navn Zr-fum₆₇ -mes₃₃ -fcu-MOF, med asymmetriske porer, der er præcist formet til at blokere metan, men tillade nitrogen at passere igennem.

Holdet har nu vist, at sammenlignet med kryogen separation reducerede den formselektive MOF oprensningsomkostningerne med 66 procent for en metanstrøm indeholdende 15 procent nitrogen.

Andre potentielle urenheder kan også fjernes. For metan forurenet med 35 procent kuldioxid og 15 procent nitrogen blev rensningsomkostningerne reduceret med cirka 73 procent. "Vi oplevede en massiv reduktion i de samlede rensningsomkostninger, da membranen blev brugt," siger Osama Shekhah, en seniorforsker i Eddaoudis laboratorium.

Indtil nu er formforskelle i molekylære blandinger stort set blevet ignoreret, siger Eddaoudi. "Shape-mismatch-induceret separation er en helt ny separationsmekanisme," siger han. "Once people focus on shape-mismatch separation, they may find many chemical mixtures, such as linear and branched hydrocarbons or aromatic chemicals, that could be efficiently separated using this concept."

Forskningen blev offentliggjort i Nature . + Udforsk yderligere

Designing the perfect membrane for clean separation of gases