Progettare la membrana perfetta per una separazione pulita

Apr 17, 2023

La rimozione selettiva dei gas nocivi, ad esempio l'idrogeno solforato (H2S) e l'anidride carbonica (CO2) dal gas naturale (CH4), potrebbe diventare più semplice ed estremamente efficaceutilizzando una nuova classedi membrana orientata a struttura metallo-organica a matrice mista (MMMOF) sviluppata presso 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 l'efficienza energetica e la semplicità di funzionamento. Le membrane a matrice mista (MMM) formate da un adsorbente selettivo incorporato in una matrice polimerica continua rappresentano una combinazione interessante di adsorbenti e facile lavorazione dei polimeri.

"Il nostro risultato, l'allineamento nel piano dei nanofogli 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'apertura dei pori adeguata che consenta l'assorbimento e/o la diffusione selettiva di un gas rispetto a un altro in base alla loro dimensione.

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

Gli MMM convenzionali spesso subiscono incompatibilità all'interfaccia nanoparticelle-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 H2S e CO2 escludendo CH4; (ii) adattare la morfologia dei cristalli MOF in nanofogli con il canale 1D esposto al massimo e promuovere un'interazione nanofoglio-polimero; e (iii) allineamento nel piano di nanofogli nella matrice polimerica e raggiungimento della membrana MMMOF uniformemente orientata.

La membrana MMMOF ha dimostrato una separazione di H2S e CO2 molto migliore dal gas naturale in condizioni di lavoro pratiche (ad esempio, alta pressione, alta temperatura, tempo prolungato di 30 giorni, ecc.) rispetto ai MMM convenzionali.

"In effetti, questa membrana orientata flessibile su scala centimetrica può essere considerata come un singolo pezzo di un cristallo flessibile in cui migliaia di nanofogli MOF sono allineati uniformemente in una direzione cristallografica predefinita e gli spazi tra i nanofogli allineati sono riempiti con polimero. È la prima nel suo genere", dice 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 Eddaoudi.

Il team ora vuole ampliare la propria procedura per dimostrarne il potenziale commerciale. Cercheranno inoltre di applicarlo ad altri importanti processi di separazione del gas industriale.

- Il presente comunicato stampa è stato fornito dalla King Abdullah University of Science & Technology