L'accordo di Parigi del 2015 ha fissato l'obiettivo di ridurre la CO ₂ emissioni, un gas serra che ha causato il riscaldamento globale a livelli inferiori a 2°C in più rispetto a prima della rivoluzione industriale. Per raggiungere questo obiettivo, è necessario ridurre il consumo di energia industriale, di cui la metà viene utilizzata nei processi di separazione per la depurazione, distillazione e essiccazione di prodotti chimici. Ci vuole molta energia ed è costoso separare una miscela di molecole. In altre parole, lo sviluppo di una tecnologia di separazione altamente efficiente e a risparmio energetico è una delle sfide più importanti che il mondo deve affrontare oggi, di cui CO ₂ la separazione e la cattura sono un'alta priorità per ridurre i gas serra.

Il metodo di separazione per adsorbimento per separare una miscela di molecole sfrutta la proprietà che molecole specifiche vengono adsorbite in un materiale poroso. Ecco come funzionano i filtri del depuratore d'acqua e il carbone deodorante nei frigoriferi. Quando una miscela di gas viene versata da un'estremità di una torre di adsorbimento riempita con un materiale poroso (adsorbente), le molecole che interagiscono fortemente con l'adsorbente vengono catturate nei pori. Alcune molecole con una debole interazione con l'adsorbente sono anche adsorbite nei pori, ma la maggior parte passa attraverso ed esce dalla torre di adsorbimento. Le molecole prelevate nei pori vengono recuperate o desorbite mediante riscaldamento o depressurizzazione del contenuto della torre di adsorbimento. Per adsorbire selettivamente le molecole in un adsorbente, c'è bisogno di un'interazione più forte, ma l'energia richiesta per il desorbimento aumenta di conseguenza. La chiave per migliorare notevolmente l'efficienza di separazione dell'adsorbimento è trovare adsorbenti con determinate proprietà contraddittorie in grado di adsorbire selettivamente grandi quantità di molecole e di desorbirle facilmente.

I processi di adsorbimento a pressione sotto vuoto (PVSA) e adsorbimento a oscillazione di temperatura (TSA), che sono entrambi metodi di separazione del gas che utilizzano materiali porosi, può essere più efficiente dal punto di vista energetico della distillazione, che richiede ebollizione selettiva e condensazione. Però, PVSA e TSA non sono senza i loro limiti. È difficile ottenere una separazione ad alto rendimento con queste tecniche perché la perdita di pressione è causata dal necessario allargamento del sistema nonché dalla frantumazione degli adsorbenti sul fondo della colonna di adsorbimento. Gli sforzi precedenti per risolvere questi problemi hanno causato altri problemi come il calore generato dall'adsorbimento, che si traduce in una diminuzione della capacità di adsorbimento, quindi è necessario trovare un nuovo materiale di adsorbimento che mostri una grande capacità di carico, alta selettività e minimo calore di adsorbimento, che sono in realtà caratteristiche contrastanti con i materiali conosciuti.

Perciò, il focus di questa ricerca era sugli "adsorbenti di tipo gate". La più grande caratteristica di questo materiale è che ha una struttura flessibile. I ricercatori hanno lavorato con ELM-11, una struttura metallo-organica flessibile (MOF), che è un materiale poroso con proprietà di "apertura del cancello" e "chiusura del cancello" esibite a pressioni di gas specifiche. I pori di ELM-11 sono chiusi e non adsorbono CO ₂ quando la concentrazione di CO ₂ contenuto nella miscela di gas è basso, ma si espande rapidamente quando la CO ₂ la concentrazione supera un certo valore di soglia, e apre i pori per catturare la CO ₂ molecole. Poiché il comportamento di apertura e chiusura dei pori è come un cancello, è chiamato adsorbente di tipo gate. ELM-11 deforma la sua struttura per incapsulare CO ₂ molecole, e quindi mostra un'elevata CO ₂ selettività. Per di più, ELM-11 contrae la sua struttura e rilascia tutta la CO . adsorbita ₂ molecole quando la CO ₂ concentrazione nella miscela di gas scende al di sotto di un valore di soglia. In altre parole, ELM-11 ha proprietà che sono molto adatte per CO ₂ adsorbimento e separazione. Adsorbe selettivamente CO ₂ e desorbe facilmente la CO ₂ .

Per l'applicazione nel mondo reale della separazione ad adsorbimento di CO ₂ contenuto nei gas di scarico, una grande quantità di gas deve essere processata ad alta velocità. Il problema è la generazione di calore associata alla CO ₂ adsorbimento. Nei tradizionali adsorbenti "duri", il calore di adsorbimento aumenta la temperatura, con conseguente riduzione di CO ₂ adsorbimento e riduzione di CO ₂ selettività. OLMO-11, che ha una struttura flessibile, si espande quando assorbe CO ₂ molecole. Il gruppo di ricerca si è concentrato sulla possibilità che l'espansione di ELM-11 possa generare calore freddo e sopprimere efficacemente l'aumento di temperatura dovuto alla CO ₂ adsorbimento.

Primo, hanno condotto un esperimento di adsorbimento di gas su ELM-11 e hanno condotto una serie di studi computazionali per quantificare la CO ₂ capacità di separazione di ELM-11. Hanno confrontato i dati sulle prestazioni con HKUST-1, un adsorbente convenzionale considerato il più promettente per la separazione di CH4 e CO ₂ miscele di gas. I dati hanno mostrato che ELM-11 ha una CO ₂ selettività 9,7 volte quella di HKUST-1. il CO ₂ la quantità di recupero per peso adsorbente è 2,1 volte quella di HKUST-1, che non ha una capacità intrinseca di gestione termica. ELM-11 si è dimostrato estremamente adatto per i sistemi di separazione ad adsorbimento ad alta velocità.

I ricercatori hanno progettato un sistema di separazione ad adsorbimento ad alta velocità costituito da torri di adsorbimento a due stadi, uno imballato con HKUST-1. Quando la CO ₂ concentrazione contenuta nella miscela di gas supera un certo valore di soglia, ELM-11 si espande rapidamente e apre i pori, adsorbendo CO ₂ molecole. Ciò significa che quando la CO ₂ la concentrazione nel gas scende alla soglia a causa della CO ₂ adsorbimento su ELM-11, la restante CO ₂ non viene affatto adsorbito e defluisce con CH4, il che significa che non si ottiene gas CH4 di elevata purezza. Perciò, per prevenire questo problema i ricercatori hanno installato una piccola colonna di adsorbimento riempita con HKUST-1 che ha eccellenti caratteristiche di adsorbimento per CO a bassa concentrazione ₂ gas, nell'ultimo stadio della colonna di adsorbimento riempita con ELM-11. Hanno condotto una misurazione rivoluzionaria per un gas misto di CH4 e CO ₂ utilizzando una piccola colonna di adsorbimento a due stadi, ed è stato in grado di confermare che è stato ottenuto gas CH4 di elevata purezza.

Il sistema a torre di adsorbimento a due stadi consente la riduzione del volume totale della torre, riduce la quantità di adsorbente utilizzata, e riduce l'energia consumata. A prima vista, il sistema si basa su un'idea semplice, ma è stato possibile ridurre significativamente le dimensioni del sistema in questo modo progettando la torre di adsorbimento del primo stadio in modo che le caratteristiche di ELM-11 possano essere pienamente esibite. Il sistema di ibridazione che utilizza le caratteristiche di ELM-11 e HKUST-1 ha funzionato in modo estremamente efficace.

I ricercatori avevano bisogno di chiarire tre questioni per vedere se ELM-11 possedeva le qualità necessarie necessarie per un processo di separazione ad alto rendimento nella vita reale. Primo, era necessario che la risposta del framework host per l'apertura del gate fosse molto veloce. In secondo luogo, le proprietà di separazione devono funzionare per condizioni non isoterme, che non è stato precedentemente riportato a conoscenza dei ricercatori. In terzo luogo, il fenomeno dello "scivolamento" causato da una diminuzione della pressione parziale del gas al di sotto della pressione di apertura del cancello, che rende il MOF flessibile incapace di adsorbire le molecole necessarie per essere indirizzate. ELM-11 ha dimostrato che i ricercatori sono in grado di superare questi tre problemi, il problema dello "scivolamento" può essere gestito con la torre di adsorbimento a due stadi.

Inoltre, questo sistema può essere applicato al trattamento dei gas di scarico della CO ₂ fonti di emissione come le centrali termiche. Per mettere in pratica questo sistema di adsorbimento/separazione ad alta velocità che utilizza un adsorbente di tipo gate, l'ostacolo all'apertura del cancello dovuto alla pellettizzazione di MOF flessibili, e la caduta di pressione dovuta all'espansione del volume dei pellet devono essere affrontati. Il team ha già iniziato ad affrontare questi problemi.

I risultati di questa ricerca attuale hanno aperto le porte a una nuova era nella separazione dei gas. L'autore corrispondente Hideki Tanaka della Shinshu University afferma che, "lo studio ha impiegato 3 anni per pubblicare, di cui siamo molto grati perché i molteplici feedback dei revisori sono stati molto perspicaci e le successive riscritture hanno reso lo studio più innovativo e migliore, che alla fine ha portato alla pubblicazione del documento in Comunicazioni sulla natura . Sono molto felice che il duro lavoro del primo autore Shotaro Hiraide dell'Università di Kyoto sia stato finalmente premiato".