きれいな分離のための完璧な膜の設計

Apr 17, 2023

天然ガス (CH4) からの硫化水素 (H2S) や二酸化炭素 (CO2) などの有害ガスの選択的除去は、より簡単かつ非常に効果的になる可能性があります。新しいクラスを使用するKAUST で開発された配向性混合マトリックス金属有機構造体 (MMMOF) 膜により、このよりクリーンな化石燃料の有効利用が可能になる可能性があります。

従来の分離（極低温蒸留や吸着分離など）に対する膜技術の利点は、エネルギー効率が高く、操作が簡単であることです。 連続ポリマーマトリックスに選択的吸着剤を埋め込んで形成された混合マトリックス膜（MMM）は、吸着剤とポリマーの容易な加工の魅力的な組み合わせを表します。

「ポリマーマトリックス内部での MOF ナノシートの面内整列と、吸着剤の独特の分離特性を加工可能なマトリックスに変換することに成功した私たちの成果は、革命的です」と Shuvo Datta 氏は言います。

MOF は、リンカーとして知られる有機分子によって所定の位置に保持された金属イオンまたはクラスターを含む有機-無機ハイブリッド材料です。 これらの部品を変えることで、研究者は、サイズに基づいて、あるガスを別のガスよりも選択的に吸着および/または拡散できる適切な細孔を作成することができます。

「これらの結晶材料を欠陥のない配向連続膜に加工するのは困難ですが、私たちはそれらを加工するための簡単な溶液キャスト法を開発しました」と Mohamed Eddaoudi 氏は言います。

従来の MMM では、ナノ粒子とポリマーの界面で不適合性が生じることが多く、吸着剤のチャネルや細孔の向きがランダムであるため、ガスの分離が妨げられます。 これらの制限を回避するために、MMMOF 膜は 3 つの連動した基準に基づいて考案され、構築されました。(i) CH4 を排除しながら H2S と CO2 の拡散を選択的に促進するモレキュラーシーブ吸着剤としてのフッ素化 MOF (KAUST-8)。 （ii）MOF結晶形態を最大限に露出した1Dチャネルを備えたナノシートに調整し、ナノシートとポリマーの相互作用を促進する。 (iii) ポリマーマトリックス中のナノシートの面内配向と均一な配向の MMMOF 膜の達成。

MMMOF 膜は、従来の MMM と比較して、実際の作業条件 (例: 高圧、高温、30 日間の長時間など) の下で天然ガスからの H2S と CO2 の分離がはるかに優れていることを実証しました。

「実際、このセンチメートルスケールの柔軟な配向膜は、何千ものMOFナノシートが所定の結晶学的方向に均一に配列されており、配列されたナノシート間の隙間がポリマーで満たされている単一の柔軟な結晶とみなすことができます。これは初めてのものです。そのようなものです」とダッタは言います。

「この発見が、学界や産業界の科学者たちに、エネルギーを大量に消費する産業上の数多くの分離に対処するためのさまざまな実用的な膜の研究を促すことになることに疑いの余地はありません」とエダウディ氏は言う。

チームは現在、その商業的可能性を実証するために手順を拡大したいと考えています。 彼らはまた、他の重要な産業用ガス分離プロセスへの適用も模索する予定です。

- このプレスリリースはキング・アブドラ科学技術大学から提供されました。