In de chemische en de petrochemische industrie het op een energiezuinige manier scheiden van moleculen is een van de belangrijkste uitdagingen. Algemeen, de scheidingsprocessen zijn goed voor ongeveer 40% van het energieverbruik in de petrochemische industrie, en het verminderen hiervan kan helpen om antropogene koolstofemissies aan te pakken.

Een van de belangrijkste producten in de petrochemische industrie is propyleen, die veel wordt gebruikt in vezels, schuimen, kunststoffen etc. Het zuiveren van propyleen vereist bijna altijd een scheiding van propaan. Momenteel gebeurt dit door cryogene distillatie, waar de twee gassen vloeibaar worden gemaakt door ze te koelen tot temperaturen onder het vriespunt. Dit geeft het propyleen-propaan scheidingsproces een zeer grote energetische voetafdruk.

Een oplossing is het gebruik van "metal-organic frameworks" (MOF's). Deze zijn poreus, kristallijne polymeren gemaakt van metalen knopen die met elkaar verbonden zijn door organische liganden. Dankzij de poriën in hun moleculaire structuur kunnen MOF's moleculen zo efficiënt vangen dat ze nu de belangrijkste kandidaten zijn in onderzoek naar koolstofopname.

Wat betreft het scheiden van moleculen, Op MOF gebaseerde membranen behoren tot de best presterende, en kan de propyleen-propaanscheiding bij omgevingstemperatuur uitvoeren. Eén MOF genaamd ZIF-8 (zeolitische imidazolium frameworks-8), laat propyleen 125 keer efficiënter door de poriën diffunderen dan propaan bij 30oC, biedt een hoge selectiviteit zonder de noodzaak van temperaturen onder het vriespunt.

"De belangrijkste uitdaging bij deze aanpak is het synthetiseren van hoogwaardige, ultradun, MOF-films op commerciële poreuze substraten zonder ingewikkelde substraataanpassingen, ", zegt professor Kumar Varoon Agrawal van EPFL. "Dergelijke films van hoge kwaliteit hebben minder defecten en zijn nodig voor het verkrijgen van de hoogst mogelijke scheidingsselectiviteit." Zijn laboratorium bij EPFL Sion heeft nu een eenvoudige MOF-kristallisatiebenadering ontwikkeld, genaamd "elektroforetische kernenassemblage voor kristallisatie van sterk vergroeide dunne films" (ENACT).

De ENACT-methode maakt eenvoudige regulering van de heterogene nucleatie op ongemodificeerde (zoals verkregen) poreuze en niet-poreuze substraten mogelijk. Dit vergemakkelijkt op zijn beurt de synthese van ultradunne, sterk vergroeide polykristallijne MOF-films.

Het lab gebruikte de ENACT-methode om 500 nm dikke MOF-membranen te synthetiseren. Toen ze ze testten, de membranen leverden een van de beste scheidingsprestaties op tot nu toe op het gebied van propyleen/propaanscheiding. De ultradunne film leverde een grote propyleenpermeantie op (flux genormaliseerd met drukverschil), wat zal helpen het membraanoppervlak te verminderen dat nodig is voor industriële toepassingen.

De groep concludeert dat de veelzijdige, eenvoudige ENACT-methode kan worden uitgebreid tot een breed scala aan nanoporeuze kristallen.