Designer den perfekte membran til ren adskillelse af gasser

Selektiv fjernelse af skadelige gasser, f.eks. svovlbrinte (H₂ S) og kuldioxid (CO₂). ) fra naturgas (CH₄ ) kunne blive enklere og yderst effektiv ved at bruge en ny klasse af orienteret mixed-matrix metal-organic framework (MMMOF) membran udviklet på KAUST, der kan muliggøre bedre brug af dette renere fossile brændstof.

Fordelene ved membranteknologi frem for traditionel separation (f.eks. kryogen destillation og adsorptiv separation) er, at den er energieffektiv og enklere at betjene. Mixed-matrix membraner (MMM'er) dannet af indlejret selektiv adsorbent i en kontinuerlig polymermatrix repræsenterer en tiltalende kombination af adsorbenterne og nem behandling af polymerer.

"Vores præstation, in-plane alignment af MOF nanosheets inde i polymermatrixen og vellykkede oversættelse af adsorberende distinkte separationsegenskaber til en processerbar matrix er revolutionerende," siger Shuvo Datta.

MOF'er er hybride organisk-uorganiske materialer, der indeholder metalioner eller klynger holdt på plads af organiske molekyler kendt som linkere. Ved at variere disse dele kan forskerne skabe en passende poreåbning, der tillader selektiv sorption og/eller diffusion af én gas over en anden baseret på deres størrelse.

"Disse krystallinske materialer er svære at bearbejde til en fejlfri orienteret kontinuerlig membran, men vi udviklede en simpel løsningsstøbemetode til at behandle dem," siger Mohamed Eddaoudi.

Konventionelle MMM'er gennemgår ofte nanopartikel-polymer-grænseflade-inkompatibilitet, og kanaler eller porer af adsorbenter er tilfældigt orienteret, hvilket hæmmer gasadskillelsen. For at undgå disse begrænsninger blev MMMOF-membraner udtænkt og konstrueret baseret på tre sammenlåste kriterier:(i) en fluoreret MOF (KAUST-8), som en molekylsigteadsorbent, der selektivt forbedrer H₂ S og CO₂ diffusion, mens CH₄ udelukkes; (ii) skræddersy MOF-krystalmorfologi til nanoark med maksimalt eksponeret 1D-kanal og fremme af en nanoark-polymer-interaktion; og (iii) justering i planet af nanoark i polymermatrix og opnåelse af den ensartet orienterede MMMOF-membran.

MMMOF-membranen viste langt bedre H₂ S og CO₂ adskillelse fra naturgas under praktiske arbejdsforhold (f.eks. højt tryk, høj temperatur, forlænget tid på 30 dage osv.) sammenlignet med konventionelle MMM'er.

"Faktisk kan denne fleksible orienterede membran i centimeterskala betragtes som et enkelt stykke af en fleksibel krystal, hvor tusindvis af MOF-nanoark er ensartet justeret i en foruddefineret krystallografisk retning, og mellemrummene mellem justerede nanoark er fyldt med polymer. Det er det første af slagsen," siger Shuvo Datta.

"Jeg er ikke i tvivl om, at denne opdagelse vil inspirere videnskabsmænd i den akademiske verden og industrien til at udforske forskellige praktiske membraner for at håndtere adskillige industrielle energiintensive adskillelser," siger Mohamed Eddaoudi.

Undersøgelsen er publiceret i Science , og holdet ønsker nu at skalere deres procedure op for at demonstrere dets kommercielle potentiale. De vil også søge at anvende det på andre vigtige industrielle gassepareringsprocesser. + Udforsk yderligere

Forskere skærer tænderne på ny separationsteknologi