Diseño de la membrana perfecta para una separación limpia

Apr 17, 2023

La eliminación selectiva de gases perjudiciales, por ejemplo, sulfuro de hidrógeno (H2S) y dióxido de carbono (CO2) del gas natural (CH4) podría volverse más simple y altamente efectivausando una nueva clasede 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 la eficiencia energética y la operación más simple. Las membranas de matriz mixta (MMM) formadas por adsorbente selectivo incrustado en una matriz polimérica continua representan una combinación atractiva de adsorbentes y procesamiento sencillo 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 adsorbente de tamiz molecular que mejora selectivamente la difusión de H2S y CO2 mientras excluye 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) alineación en el plano de nanoláminas en matriz de polímero y logro de la membrana MMMOF orientada uniformemente.

La membrana MMMOF demostró una separación mucho mejor de H2S y CO2 del gas natural en condiciones prácticas de trabajo (p. ej., alta presión, alta temperatura, tiempo prolongado de 30 días, etc.) en comparación con las MMM convencionales.

"De hecho, esta membrana orientada flexible de escala centimétrica se puede considerar como una sola pieza de un cristal flexible en el que miles de nanoláminas MOF se alinean uniformemente en una dirección cristalográfica predefinida y los espacios entre las nanoláminas alineadas se rellenan con polímero. Es la primera de su tipo", dice Datta.

"No tengo ninguna duda de que este descubrimiento inspirará a los científicos del mundo académico y de la industria a explorar varias membranas prácticas para abordar numerosas separaciones industriales que consumen mucha energía", dice Eddaoudi.

El equipo ahora quiere ampliar su procedimiento para demostrar su potencial comercial. También buscarán aplicarlo a otros importantes procesos industriales de separación de gases.

- Este comunicado de prensa fue proporcionado por la Universidad de Ciencia y Tecnología Rey Abdullah