Projetando a Membrana Perfeita para uma Separação Limpa

Apr 17, 2023

A remoção seletiva de gases prejudiciais, por exemplo, sulfeto de hidrogênio (H2S) e dióxido de carbono (CO2) do gás natural (CH4) pode se tornar mais simples e altamente eficazusando uma nova classede membrana de estrutura metal-orgânica de matriz mista orientada (MMMOF) desenvolvida na KAUST que pode permitir um melhor uso desse combustível fóssil mais limpo.

As vantagens da tecnologia de membrana sobre a separação tradicional (por exemplo, destilação criogênica e separação por adsorção) são energeticamente eficientes e mais simples de operar. Membranas de matriz mista (MMMs) formadas por adsorvente seletivo embutido em uma matriz polimérica contínua representam uma combinação atraente de adsorventes e fácil processamento de polímeros.

"Nossa conquista, alinhamento no plano de nanofolhas de MOF dentro da matriz de polímero e tradução bem-sucedida das propriedades de separação distintas do adsorvente em uma matriz processável é revolucionária", disse Shuvo Datta.

MOFs são materiais orgânicos-inorgânicos híbridos que contêm íons metálicos ou aglomerados mantidos no lugar por moléculas orgânicas conhecidas como ligantes. A variação dessas partes permite que os pesquisadores criem uma abertura de poro adequada que permite a absorção seletiva e/ou difusão de um gás sobre outro com base em seu tamanho.

"Esses materiais cristalinos são difíceis de processar em uma membrana contínua orientada sem defeitos, mas desenvolvemos um método de fundição de solução simples para processá-los", disse Mohamed Eddaoudi.

MMMs convencionais muitas vezes sofrem incompatibilidade de interface nanopartícula-polímero, e canais ou poros de adsorventes são orientados aleatoriamente que dificultam a separação do gás. Para evitar essas limitações, as membranas MMMOF foram concebidas e construídas com base em três critérios interligados: (i) um MOF fluorado (KAUST-8), como um adsorvente de peneira molecular que aumenta seletivamente a difusão de H2S e CO2 enquanto exclui CH4; (ii) adaptar a morfologia do cristal MOF em nanofolhas com canal 1D exposto ao máximo e promover uma interação nanofolha-polímero; e (iii) alinhamento no plano de nanofolhas na matriz polimérica e obtenção da membrana MMMOF uniformemente orientada.

A membrana MMMOF demonstrou uma separação muito melhor de H2S e CO2 do gás natural sob condições práticas de trabalho (por exemplo, alta pressão, alta temperatura, tempo prolongado de 30 dias, etc.) em comparação com os MMMs convencionais.

"Na verdade, esta membrana orientada flexível em escala centimétrica pode ser considerada como uma única peça de um cristal flexível em que milhares de nanofolhas de MOF são uniformemente alinhadas em uma direção cristalográfica predefinida e as lacunas entre as nanofolhas alinhadas são preenchidas com polímero. É a primeira desse tipo", diz Datta.

“Não tenho dúvidas de que esta descoberta inspirará cientistas da academia e da indústria a explorar várias membranas práticas para abordar inúmeras separações industriais com uso intensivo de energia”, diz Eddaoudi.

A equipe agora quer ampliar seu procedimento para demonstrar seu potencial comercial. Eles também procurarão aplicá-lo a outros importantes processos industriais de separação de gases.

- Este comunicado de imprensa foi fornecido pela King Abdullah University of Science & Technology