La membrana de estructura metalorgánica de matriz mixta orientada elimina eficazmente el sulfuro de hidrógeno y el dióxido de carbono del gas natural de una manera eficiente desde el punto de vista energético. Crédito:2022, KAUST
Eliminación selectiva de gases perjudiciales, por ejemplo, sulfuro de hidrógeno (H2 S) y dióxido de carbono (CO2 ) a partir de gas natural (CH4 ) podría volverse más simple y altamente efectivo utilizando una nueva clase de membrana de marco orgánico de metal de matriz mixta orientada (MMMOF) desarrollada en KAUST que puede permitir un mejor uso de este combustible fósil más limpio.
Las ventajas de la tecnología de membrana sobre la separación tradicional (p. ej., destilación criogénica y separación por adsorción) son que es energéticamente eficiente y más simple de operar. Las membranas de matriz mixta (MMM) formadas por adsorbente selectivo incrustado en una matriz polimérica continua representan una combinación atractiva de adsorbentes y fácil procesamiento de polímeros.
"Nuestro logro, la alineación en el plano de las nanoláminas de MOF dentro de la matriz polimérica y la traducción exitosa de las distintas propiedades de separación del adsorbente en una matriz procesable, es revolucionario", dice Shuvo Datta.
Los MOF son materiales híbridos orgánico-inorgánicos que contienen iones metálicos o grupos sostenidos por moléculas orgánicas conocidas como enlazadores. La variación de estas partes permite a los investigadores crear una apertura de poro adecuada que permite la sorción selectiva y/o la difusión de un gas sobre otro en función de su tamaño.
"Estos materiales cristalinos son difíciles de procesar en una membrana continua orientada sin defectos, pero desarrollamos un método de fundición de solución simple para procesarlos", dice Mohamed Eddaoudi.
Los MMM convencionales a menudo experimentan incompatibilidad en la interfaz de nanopartículas y polímeros, y los canales o poros de los adsorbentes están orientados al azar, lo que dificulta la separación de gases. Para evitar esas limitaciones, las membranas MMMOF se concibieron y construyeron en base a tres criterios entrelazados:(i) un MOF fluorado (KAUST-8), como un adsorbente de tamiz molecular que mejora selectivamente el H2 S y CO2 difusión excluyendo CH4; (ii) adaptar la morfología del cristal MOF en nanoláminas con un canal 1D expuesto al máximo y promover una interacción nanolámina-polímero; y (iii) la alineación en el plano de las nanoláminas en la matriz polimérica y el logro de la membrana MMMOF orientada uniformemente.
La membrana MMMOF demostró mucho mejor H2 S y CO2 separación del gas natural en condiciones prácticas de trabajo (por ejemplo, alta presión, alta temperatura, tiempo prolongado de 30 días, etc.) en comparación con los MMM convencionales.
"In fact, this centimeter-scale flexible oriented membrane can be regarded as a single piece of a flexible crystal in which thousands of MOF nanosheets are uniformly aligned in a predefined crystallographic direction and the gaps between aligned nanosheets are filled with polymer. It's the first of its kind," says Shuvo Datta.
"I have no doubt that this discovery will inspire scientists in academia and industry to explore various practical membranes to address numerous industrial energy-intensive separations," says Mohamed Eddaoudi.
The study is published in Science , and the team now wants to scale up their procedure to demonstrate its commercial potential. They will also seek to apply it to other important industrial gas separation processes. Los científicos se pusieron manos a la obra con la nueva tecnología de separación
