Verbesserung der Zukunft der Reinigung durch Verwendung der molekularen Silhouette zur Trennung von Verbindungen in Flüssigkeiten

Verunreinigte chemische Gemische können nun anhand von Unterschieden in der Molekülsilhouette getrennt werden. Es wurden Membranen mit nanoskaligen Poren entwickelt, die der Form der Verunreinigungen in der Mischung entsprechen, sodass nur die Verunreinigungen passieren können. KAUST-Forscher haben vorgeschlagen, dass die erste Anwendung dieser auf metallorganischen Gerüsten (MOF) basierenden formselektiven Membranen eine energieeffiziente, kostengünstige Reinigung von Erdgas sein könnte.

MOFs sind organisch-anorganische hybride kristalline poröse Materialien, die durch ihre Struktur unterschiedliche Arten von Poren aufweisen können. Durch den Aufbau von MOFs aus verschiedenen organischen und anorganischen Bausteinen können Forscher die Porenstruktur und Öffnung fein abstimmen. MOF-Membranen haben zuvor ein großes Potenzial für die Trennung von Molekülgemischen aufgrund von Unterschieden in ihrer Größe oder Polarisierbarkeit gezeigt.

Erdgas, auch Methan genannt, wird im Zuge der Energiewende eine immer wichtigere Rolle in der globalen Energieversorgung spielen. Nahezu alle Erdgaslagerstätten sind mit Stickstoff belastet. „Der Stickstoff verdünnt den Heizwert von Erdgas, also muss er entfernt werden“, sagt Sheng Zhou, ein Ph.D. Student im Labor von Mohamed Eddaoudi, der die Forschung leitete.

Stickstoff ist chemisch inert und sowohl in seiner kinetischen Form als auch in seiner Polarisierbarkeit Methan ähnlich, kann also nicht durch bestehende Membranen entfernt werden. „Für die industrielle Erdgasreinigung müssen Stickstoffabscheideeinheiten auf der Grundlage kryogener Destillation vorhanden sein“, sagt Zhou. Diese Ultratieftemperatur-Trenntechnik ist teuer und energieintensiv.

Eddauodi, Zhou und ihre Kollegen haben ein hocheffizientes MOF-basiertes Verfahren zur Reinigung von Methan entwickelt. „Wir haben eine poröse Membran entwickelt, die Stickstoff von Methan trennt, indem sie einen wesentlichen Unterschied zwischen den Molekülen ausnutzt: ihre Form“, sagt Zhou.

Während Stickstoff eine stäbchenförmige lineare Struktur hat, hat Methan ein dreieckiges kleeblattartiges Profil. Das Team entwickelte ein neues Membranmaterial namens Zr-fum67-mes33-fcu-MOF mit asymmetrischen Poren, die präzise geformt sind, um Methan zu blockieren, aber Stickstoff durchzulassen.

Das Team hat nun gezeigt, dass das formselektive MOF im Vergleich zur kryogenen Trennung die Reinigungskosten um 66 Prozent für einen Methanstrom reduziert, der 15 Prozent Stickstoff enthält.

Andere potentielle Verunreinigungen könnten ebenfalls entfernt werden. Für mit 35 Prozent Kohlendioxid und 15 Prozent Stickstoff kontaminiertes Methan wurden die Reinigungskosten um etwa 73 Prozent reduziert. „Wir haben eine massive Reduzierung der gesamten Reinigungskosten festgestellt, als die Membran verwendet wurde“, sagt Osama Shekhah, ein leitender Forschungswissenschaftler in Eddaoudis Labor.

Bisher seien Formunterschiede in Molekülmischungen weitgehend ignoriert worden, sagt Eddaoudi. „Die durch Formfehlanpassung induzierte Trennung ist ein völlig neuer Trennungsmechanismus“, sagt er. „Sobald sich die Menschen auf die Trennung von Formabweichungen konzentrieren, finden sie möglicherweise viele chemische Gemische, wie z. B. lineare und verzweigte Kohlenwasserstoffe oder aromatische Chemikalien, die mit diesem Konzept effizient getrennt werden könnten.“

Die Studie wurde veröffentlicht in Natur.