Progettare la membrana perfetta per la separazione pulita dei gas

di King Abdullah University of Science and Technology

La membrana a struttura metallo-organica a matrice mista orientata rimuove efficacemente l'idrogeno solforato e l'anidride carbonica dal gas naturale in modo efficiente dal punto di vista energetico. 
La rimozione selettiva dei gas nocivi, ad esempio acido solfidrico (H 2 S) e anidride carbonica (CO 2 ) dal gas naturale (CH 4 ) potrebbe diventare più semplice e altamente efficace utilizzando una nuova classe di strutture metallo-organiche a matrice mista orientata (MMMOF ) membrana sviluppata da KAUST che potrebbe consentire un migliore utilizzo di questo combustibile fossile più pulito.

I vantaggi della tecnologia a membrana rispetto alla separazione tradizionale (ad esempio, distillazione criogenica e separazione per adsorbimento) sono che è efficiente dal punto di vista energetico e più semplice da usare. Le membrane a matrice mista (MMM) formate da un adsorbente selettivo incorporato in una matrice polimerica continua rappresentano una combinazione interessante degli adsorbenti e una facile lavorazione dei polimeri.

"Il nostro risultato, l'allineamento sul piano dei nanosheet MOF all'interno della matrice polimerica e la traduzione riuscita delle proprietà di separazione distinte dell'adsorbente in una matrice processabile è rivoluzionario", afferma Shuvo Datta.

I MOF sono materiali ibridi organico-inorganici che contengono ioni metallici o cluster tenuti in posizione da molecole organiche note come linker. La variazione di queste parti consente ai ricercatori di creare un'adeguata apertura dei pori che consenta l'assorbimento selettivo e/o la diffusione di un gas sull'altro in base alle loro dimensioni.

"Questi materiali cristallini sono difficili da trasformare in una membrana continua orientata senza difetti, ma abbiamo sviluppato un metodo di colata in soluzione semplice per lavorarli", afferma Mohamed Eddaoudi.

Gli MMM convenzionali sono spesso soggetti a incompatibilità dell'interfaccia tra nanoparticelle e polimero e i canali o i pori degli adsorbenti sono orientati in modo casuale che ostacolano la separazione del gas. Per evitare tali limitazioni, le membrane MMMOF sono state concepite e costruite sulla base di tre criteri interconnessi: (i) un MOF fluorurato (KAUST-8), come adsorbente a setaccio molecolare che migliora selettivamente la diffusione di H 2 S e CO 2 escludendo CH 4 ; (ii) adattare la morfologia del cristallo MOF in nanosheet con il canale 1D massimamente esposto e promuovere un'interazione nanosheet-polimero; e (iii) allineamento in piano di nanosheet nella matrice polimerica e raggiungimento della membrana MMMOF uniformemente orientata.

La membrana MMMOF ha dimostrato una migliore separazione di H 2 S e CO 2 dal gas naturale in condizioni di lavoro pratiche (ad esempio, alta pressione , alta temperatura, tempo prolungato di 30 giorni, ecc.) rispetto alle MMM convenzionali.

"In effetti, questa membrana orientata flessibile su scala centimetrica può essere considerata come un unico pezzo di un cristallo flessibile in cui migliaia di nanosheet MOF sono allineati uniformemente in una direzione cristallografica predefinita e gli spazi tra i nanosheet allineati sono riempiti di polimero. È il primo nel suo genere", afferma Shuvo Datta.

"Non ho dubbi che questa scoperta ispirerà gli scienziati del mondo accademico e industriale a esplorare varie membrane pratiche per affrontare numerose separazioni industriali ad alta intensità energetica", afferma Mohamed Eddaoudi.

Lo studio è pubblicato su Science e il team ora vuole aumentare la propria procedura per dimostrarne il potenziale commerciale. Cercheranno inoltre di applicarlo ad altri importanti processi di separazione dei gas industriali.