Orena kemiska blandningar kan nu separeras baserat på skillnader i molekylär siluett. Membran har utvecklats med porer i nanoskala som matchar formen på föroreningar i blandningen så att endast föroreningen kan passera igenom. KAUST-forskare har föreslagit att den första tillämpningen av dessa metall-organiska ramverk (MOF)-baserade formselektiva membran kan vara energieffektiv, lågkostnadsrening av naturgas.

MOF är organiskt-oorganiskt hybrid kristallina porösa material som kan ha olika typer av porer genom sin struktur. Genom att konstruera MOF från olika organiska och oorganiska byggstenar kan forskare finjustera porstrukturen och öppningen. MOF-membran har tidigare visat stor potential för att separera blandningar av molekyler baserat på skillnader i deras storlek eller polariserbarhet.

Naturgas, även känd som metan, förutspås spela en allt viktigare roll i den globala energiförsörjningen under övergången till förnybart. Nästan alla naturgasreservoarer är förorenade med kväve. "Kvävet späder ut värmevärdet av naturgas, så det måste tas bort", säger Sheng Zhou, en Ph.D. student i Mohamed Eddaoudis labb, som ledde forskningen.

Kväve är kemiskt inert och liknar både i kinetisk form och polariserbarhet till metan, så det kan inte avlägsnas av befintliga membran. "För industriell naturgasrening måste det finnas enheter för avvisning av kväve baserade på kryogen destillation", säger Zhou. Denna separationsteknik med ultralåg temperatur är dyr och energikrävande.

Eddauodi, Zhou och deras kollegor har utvecklat en mycket effektiv MOF-baserad metod för att rena metan. "Vi designade ett poröst membran som separerar kväve från metan genom att utnyttja en betydande skillnad mellan molekylerna:deras form", säger Zhou.

Medan kväve har en stavliknande linjär struktur, har metan en triangulär trefoil-typ profil. Teamet skapade ett nytt membranmaterial, kallat Zr-fum₆₇ -mes₃₃ -fcu-MOF, med asymmetriska porer exakt formade för att blockera metan men tillåta kväve att passera igenom.

Teamet har nu visat att, jämfört med kryogen separation, minskade den formselektiva MOF reningskostnaderna med 66 procent för en metanström som innehåller 15 procent kväve.

Andra potentiella föroreningar kan också avlägsnas. För metan förorenad med 35 procent koldioxid och 15 procent kväve minskade reningskostnaden med cirka 73 procent. "Vi såg en enorm minskning av den totala reningskostnaden när membranet användes", säger Osama Shekhah, senior forskare vid Eddaoudis labb.

Fram till nu har formskillnad i molekylära blandningar till stor del ignorerats, säger Eddaoudi. "Shape-mismatch-inducerad separation är en helt ny separationsmekanism", säger han. "När människor fokuserar på separation av formfel kan de hitta många kemiska blandningar, såsom linjära och grenade kolväten eller aromatiska kemikalier, som effektivt skulle kunna separeras med detta koncept."

Forskningen publicerades i Nature . + Utforska vidare

Designar det perfekta membranet för ren separation av gaser