Entwicklung der perfekten Membran für eine saubere Trennung

Apr 17, 2023

Die selektive Entfernung schädlicher Gase, z. B. Schwefelwasserstoff (H2S) und Kohlendioxid (CO2), aus Erdgas (CH4) könnte einfacher und hochwirksam werdenVerwendung einer neuen Klasseeiner bei KAUST entwickelten orientierten Mixed-Matrix-Metal-Organic-Framework-Membran (MMMOF), die eine bessere Nutzung dieses saubereren fossilen Brennstoffs ermöglichen könnte.

Die Vorteile der Membrantechnologie gegenüber der herkömmlichen Trennung (z. B. kryogene Destillation und Adsorptionstrennung) sind energieeffizient und einfacher zu bedienen. Mixed-Matrix-Membranen (MMMs), die durch eingebettetes selektives Adsorbens in einer kontinuierlichen Polymermatrix gebildet werden, stellen eine attraktive Kombination aus Adsorbentien und einfacher Verarbeitung von Polymeren dar.

„Unsere Errungenschaft, die Ausrichtung von MOF-Nanoblättern in der Ebene innerhalb der Polymermatrix und die erfolgreiche Umsetzung der spezifischen Trenneigenschaften des Adsorbens 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 die Variation dieser Teile können Forscher eine geeignete Porenöffnung schaffen, die je nach Größe eine selektive Sorption und/oder Diffusion eines Gases gegenüber einem anderen ermöglicht.

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

Herkömmliche MMMs weisen häufig eine Inkompatibilität der Nanopartikel-Polymer-Grenzfläche auf, und Kanäle oder Poren von Adsorbentien 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-Adsorptionsmittel, das die H2S- und CO2-Diffusion selektiv steigert und gleichzeitig CH4 ausschließt; (ii) Anpassen der MOF-Kristallmorphologie an Nanoblätter mit maximal exponiertem 1D-Kanal und Förderung einer Nanoblatt-Polymer-Wechselwirkung; und (iii) Ausrichtung von Nanoblättern in der Polymermatrix in der Ebene und Erzielung der gleichmäßig ausgerichteten 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-Abtrennung aus Erdgas.

„Tatsächlich kann diese zentimetergroße, flexibel ausgerichtete Membran 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 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 zu bewältigen“, sagt Eddaoudi.

Das Team möchte nun sein Verfahren erweitern, um sein kommerzielles Potenzial zu demonstrieren. Sie werden auch versuchen, es auf andere wichtige industrielle Gastrennprozesse anzuwenden.

– Diese Pressemitteilung wurde von der King Abdullah University of Science & Technology bereitgestellt