Entwicklung der perfekten Membran zur sauberen Trennung von Gasen

Die selektive Entfernung schädlicher Gase, z. B. Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2), aus Erdgas (CH4) könnte einfacher und hochwirksamer werden, wenn eine neue Klasse von Membranen mit orientierter gemischter Matrix aus metallorganischen Gerüsten (MMMOF) verwendet wird, die bei entwickelt wurde KAUST, die eine bessere Nutzung dieses saubereren fossilen Brennstoffs ermöglichen könnte.

Die Vorteile der Membrantechnologie gegenüber herkömmlicher Trennung (z. B. kryogene Destillation und adsorptive Trennung) bestehen darin, dass sie energieeffizienter und einfacher zu betreiben ist. Mixed-Matrix-Membranen (MMMs), die durch eingebettetes selektives Adsorptionsmittel in einer kontinuierlichen Polymermatrix gebildet werden, stellen eine ansprechende Kombination der Adsorptionsmittel und der einfachen Verarbeitung von Polymeren dar.

„Unsere Errungenschaft, die Ausrichtung von MOF-Nanoblättern in der Ebene innerhalb der Polymermatrix und die erfolgreiche Umsetzung der ausgeprägten Trenneigenschaften des Adsorptionsmittels in eine verarbeitbare Matrix, ist revolutionär“, sagt Shuvo Datta.

MOFs sind hybride organisch-anorganische Materialien, die Metallionen oder -cluster enthalten, die durch organische Moleküle, sogenannte Linker, an Ort und Stelle gehalten werden. Durch Variieren dieser Teile können Forscher eine geeignete Porenöffnung schaffen, die basierend auf ihrer Größe eine selektive Sorption und/oder Diffusion eines Gases über ein anderes ermöglicht.

„Diese kristallinen Materialien lassen sich nur schwer zu einer defektfreien, orientierten, kontinuierlichen Membran verarbeiten, aber wir haben ein einfaches Lösungsgussverfahren entwickelt, um sie zu verarbeiten“, sagt Mohamed Eddaoudi.

Herkömmliche MMMs unterliegen häufig einer Nanopartikel-Polymer-Grenzflächeninkompatibilität, und Kanäle oder Poren von Adsorptionsmitteln sind zufällig ausgerichtet, was die Gastrennung behindert. Um diese Einschränkungen zu vermeiden, wurden MMMOF-Membranen auf der Grundlage von drei ineinandergreifenden Kriterien konzipiert und konstruiert: (i) ein fluoriertes MOF (KAUST-8) als Molekularsieb-Adsorbens, das selektiv die H2S- und CO2-Diffusion verstärkt, während es CH4 ausschließt; (ii) Maßschneidern der MOF-Kristallmorphologie in Nanoblätter mit maximal exponiertem 1D-Kanal und Förderung einer Nanoblatt-Polymer-Wechselwirkung; und (iii) Ausrichtung von Nanoblättern in der Ebene in der Polymermatrix und Erreichen der einheitlich orientierten MMMOF-Membran.

Die MMMOF-Membran zeigte unter praktischen Arbeitsbedingungen (z. B. hoher Druck, hohe Temperatur, längere Zeit von 30 Tagen usw.) im Vergleich zu herkömmlichen MMMs eine weitaus bessere H2S- und CO2-Trennung aus Erdgas.

„Tatsächlich kann diese flexible orientierte Membran im Zentimetermaßstab als ein einzelnes Stück eines flexiblen Kristalls betrachtet werden, in dem Tausende von MOF-Nanoblättern gleichmäßig in einer vordefinierten kristallographischen Richtung ausgerichtet sind und die Lücken zwischen ausgerichteten Nanoblättern mit Polymer gefüllt sind. Es ist das erste seiner Art“, sagt Shuvo Datta.

„Ich habe keinen Zweifel daran, dass diese Entdeckung Wissenschaftler in Wissenschaft und Industrie dazu inspirieren wird, verschiedene praktische Membranen zu erforschen, um zahlreiche industrielle energieintensive Trennungen anzugehen“, sagt Mohamed Eddaoudi.

Die Studie ist erschienen in Wissenschaft, und das Team möchte nun sein Verfahren erweitern, um sein kommerzielles Potenzial zu demonstrieren. Sie werden auch versuchen, es auf andere wichtige industrielle Gastrennverfahren anzuwenden.