Orienterat blandat matris metall-organiskt ramverksmembran avlägsnar effektivt svavelväte och koldioxid från naturgas på ett energieffektivt sätt. Kredit:2022, KAUST
Selektivt avlägsnande av skadliga gaser, t.ex. vätesulfid (H2 S) och koldioxid (CO2). ) från naturgas (CH4 ) skulle kunna bli enklare och mycket effektiva med hjälp av en ny klass av MMMOF-membran (oriented mixed-matrix metal-organic framework) utvecklad vid KAUST som kan möjliggöra bättre användning av detta renare fossila bränsle.
Fördelarna med membranteknologi framför traditionell separation (t.ex. kryogen destillation och adsorptiv separation) är att den är energieffektiv och enklare att använda. Mixed-matrix-membran (MMM) bildade av inbäddad selektiv adsorbent i en kontinuerlig polymermatris representerar en tilltalande kombination av adsorbenterna och enkel bearbetning av polymerer.
"Vår prestation, in-plane alignment av MOF nanosheets inuti polymermatrisen och framgångsrika översättning av adsorberande distinkta separationsegenskaper till en processbar matris är revolutionerande", säger Shuvo Datta.
MOF är organiskt-oorganiskt hybridmaterial som innehåller metalljoner eller kluster som hålls på plats av organiska molekyler som kallas länkar. Genom att variera dessa delar kan forskare skapa en lämplig poröppning som tillåter selektiv sorption och/eller diffusion av en gas över en annan baserat på deras storlek.
"Dessa kristallina material är svåra att bearbeta till ett defektfritt orienterat kontinuerligt membran, men vi utvecklade en enkel lösningsgjutmetod för att bearbeta dem", säger Mohamed Eddaoudi.
Konventionella MMMs genomgår ofta nanopartikel-polymergränssnittsinkompatibilitet, och kanaler eller porer av adsorbenter är slumpmässigt orienterade som hindrar gasseparationen. För att undvika dessa begränsningar utformades och konstruerades MMMOF-membran baserat på tre sammankopplade kriterier:(i) en fluorerad MOF (KAUST-8), som en molekylsiktadsorbent som selektivt förbättrar H2 S och CO2 diffusion samtidigt som CH4 exkluderas; (ii) skräddarsy MOF-kristallmorfologi till nanosheets med maximalt exponerad 1D-kanal och främja en nanosheet-polymer-interaktion; och (iii) in-plane inriktning av nanosheets i polymermatris och uppnående av det enhetligt orienterade MMMOF-membranet.
MMMOF-membranet visade mycket bättre H2 S och CO2 separation från naturgas under praktiska arbetsförhållanden (t.ex. högt tryck, hög temperatur, förlängd tid på 30 dagar, etc.) jämfört med konventionella MMM.
"Faktum är att det här flexibla orienterade membranet i centimeterskala kan betraktas som ett enda stycke av en flexibel kristall där tusentals MOF-nanoark är jämnt inriktade i en fördefinierad kristallografisk riktning och mellanrummen mellan inriktade nanoskivor är fyllda med polymer. Det är den första av sitt slag", säger Shuvo Datta.
"Jag tvivlar inte på att denna upptäckt kommer att inspirera forskare inom den akademiska världen och industrin att utforska olika praktiska membran för att hantera många industriella energiintensiva separationer", säger Mohamed Eddaoudi.
Studien publiceras i Science , och teamet vill nu skala upp sin procedur för att visa sin kommersiella potential. De kommer också att försöka tillämpa det på andra viktiga industriella gassepareringsprocesser. + Utforska vidare
