Il team, guidato dal professor Mohamed Eddaoudi, ha progettato la propria membrana porosa per separare l'azoto dal metano sfruttando la differenza tra la forma molecolare dei gas. Credito:KAUST.
Le miscele chimiche impure possono ora essere separate in base alle differenze nella sagoma molecolare. Sono state sviluppate membrane con pori su scala nanometrica che corrispondono alla forma delle impurità nella miscela in modo che solo l'impurità possa passare. I ricercatori KAUST hanno suggerito che la prima applicazione di queste membrane selettive di forma basate su struttura metallo-organica (MOF) potrebbe essere la purificazione del gas naturale a basso costo e ad alta efficienza energetica.
I MOF sono materiali porosi cristallini ibridi organici-inorganici che possono presentare diversi tipi di pori attraverso la loro struttura. Costruendo MOF da diversi elementi costitutivi organici e inorganici, i ricercatori possono mettere a punto la struttura e l'apertura dei pori. Le membrane MOF hanno precedentemente mostrato un grande potenziale per la separazione di miscele di molecole in base alle differenze nelle loro dimensioni o polarizzabilità.
Si prevede che il gas naturale, noto anche come metano, svolgerà un ruolo sempre più importante nell'approvvigionamento energetico globale durante la transizione verso le rinnovabili. Quasi tutti i giacimenti di gas naturale sono contaminati da azoto. "L'azoto diluisce il potere calorifico del gas naturale, quindi deve essere rimosso", afferma Sheng Zhou, Ph.D. studente nel laboratorio di Mohamed Eddaoudi, che ha guidato la ricerca.
L'azoto è chimicamente inerte e simile sia per forma cinetica che per polarizzabilità al metano, quindi non può essere rimosso dalle membrane esistenti. "Per la purificazione industriale del gas naturale, sono necessarie unità di rigetto dell'azoto basate sulla distillazione criogenica", afferma Zhou. Questa tecnica di separazione a bassissima temperatura è costosa e ad alta intensità energetica.
Eddauodi, Zhou ei loro colleghi hanno sviluppato un metodo altamente efficiente basato su MOF per purificare il metano. "Abbiamo progettato una membrana porosa che separa l'azoto dal metano sfruttando una differenza significativa tra le molecole:la loro forma", afferma Zhou.
Mentre l'azoto ha una struttura lineare a bastoncino, il metano ha un profilo triangolare a trifoglio. Il team ha creato un nuovo materiale per la membrana, chiamato Zr-fum67 -mes33 -fcu-MOF, con pori asimmetrici sagomati con precisione per bloccare il metano ma consentire il passaggio dell'azoto.
Il team ha ora dimostrato che, rispetto alla separazione criogenica, il MOF selettivo per forma ha ridotto i costi di purificazione del 66% per un flusso di metano contenente il 15% di azoto.
Illustrazione del nuovo materiale della membrana Zr-fum67-mes33-fcu-MOF. Credito:KAUST.
Potrebbero essere rimosse anche altre potenziali impurità. Per il metano contaminato con il 35% di anidride carbonica e il 15% di azoto, il costo di purificazione è stato ridotto di circa il 73%. "Abbiamo assistito a una massiccia riduzione del costo totale di purificazione quando è stata utilizzata la membrana", afferma Osama Shekhah, ricercatore senior nel laboratorio di Eddaoudi.
Finora, la differenza di forma nelle miscele molecolari è stata ampiamente ignorata, dice Eddaoudi. "La separazione indotta dal disadattamento di forma è un meccanismo di separazione totalmente nuovo", afferma. "Una volta che le persone si concentrano sulla separazione del disadattamento di forma, possono trovare molte miscele chimiche, come idrocarburi lineari e ramificati o sostanze chimiche aromatiche, che potrebbero essere separate in modo efficiente utilizzando questo concetto."
La ricerca è stata pubblicata su Natura . + Esplora ulteriormente
