De Overeenkomst van Parijs van 2015 stelde een doel om CO . te verminderen ₂ uitstoot, een broeikasgas dat de opwarming van de aarde heeft veroorzaakt tot een niveau van minder dan 2°C meer dan vóór de industriële revolutie. Om dit doel te bereiken, het is noodzakelijk om het industriële energieverbruik te verminderen, waarvan de helft wordt gebruikt in scheidingsprocessen voor zuivering, distilleren en drogen van chemicaliën. Het kost veel energie en is kostbaar om een ​​mengsel van moleculen te scheiden. Met andere woorden, de ontwikkeling van een zeer efficiënte en energiebesparende scheidingstechnologie is een van de belangrijkste uitdagingen voor de wereld van vandaag, waarvan CO ₂ scheiding en afvang is een hoge prioriteit voor het terugdringen van broeikasgassen.

De adsorptiescheidingsmethode voor het scheiden van een mengsel van moleculen maakt gebruik van de eigenschap dat bepaalde moleculen worden geadsorbeerd in een poreus materiaal. Dit is hoe waterzuiveringsfilters en ontgeurende houtskool in koelkasten werken. Wanneer een gasmengsel wordt gegoten uit het ene uiteinde van een adsorptietoren gevuld met een poreus materiaal (adsorbens), moleculen die sterk interageren met het adsorbens worden gevangen in de poriën. Sommige moleculen met een zwakke interactie met het adsorbens worden ook geadsorbeerd in de poriën, maar de meeste gaan door en stromen uit de adsorptietoren. De moleculen die in de poriën worden opgenomen, worden teruggewonnen of gedesorbeerd door de inhoud van de adsorptietoren te verwarmen of de druk te verlagen. Om selectief moleculen te adsorberen in een adsorbens, er is behoefte aan een sterkere interactie, maar de energie die nodig is voor desorptie neemt dienovereenkomstig toe. De sleutel tot het aanzienlijk verbeteren van de efficiëntie van de adsorptiescheiding is het vinden van adsorbentia met bepaalde tegenstrijdige eigenschappen die selectief grote hoeveelheden moleculen kunnen adsorberen en deze gemakkelijk kunnen desorberen.

De druk vacuüm swing adsorptie (PVSA) en temperatuur swing adsorptie (TSA) processen, die beide gasscheidingsmethoden zijn met behulp van poreuze materialen, kan energiezuiniger zijn dan distillatie, wat selectief koken en condenseren vereist. Echter, PVSA en TSA zijn niet zonder hun beperkingen. Het is moeilijk om met deze technieken een scheiding met een hoge verwerkingscapaciteit te bereiken, omdat drukverlies wordt veroorzaakt door de noodzakelijke systeemvergroting en het breken van adsorbentia op de bodem van de adsorptiekolom. Eerdere pogingen om deze problemen op te lossen hebben geleid tot andere problemen, zoals warmte die wordt gegenereerd door adsorptie, wat resulteert in een afname van de adsorptiecapaciteit, er is dus behoefte aan een nieuw adsorptiemateriaal met een grote laadcapaciteit, hoge selectiviteit en minimale adsorptiewarmte, die eigenlijk in strijd zijn met bekende materialen.

Daarom, de focus van dit onderzoek lag op "gate-type adsorbentia". Het grootste kenmerk van dit materiaal is dat het een flexibele structuur heeft. De onderzoekers werkten met ELM-11, een flexibel metaal-organisch raamwerk (MOF), dat is een poreus materiaal met "poort-openende" en "poort-sluitende" eigenschappen die worden vertoond bij specifieke gasdrukken. De poriën van ELM-11 zijn gesloten en adsorberen geen CO ₂ wanneer de concentratie van CO ₂ in het gasmengsel is laag, maar breidt zich snel uit wanneer de CO ₂ concentratie een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, en opent de poriën om CO . op te vangen ₂ moleculen. Aangezien het openings- en sluitgedrag van de poriën als een poort is, het wordt een adsorbens van het poorttype genoemd. ELM-11 vervormt zijn structuur om CO . in te kapselen ₂ moleculen, en vertoont dus een hoge CO ₂ selectiviteit. Verder, ELM-11 trekt zijn structuur samen en laat alle geadsorbeerde CO . vrij ₂ moleculen wanneer de CO ₂ concentratie in het gasmengsel onder een drempelwaarde komt. Met andere woorden, ELM-11 heeft eigenschappen die zeer geschikt zijn voor CO ₂ adsorptie en scheiding. Het adsorbeert selectief CO ₂ en desorbeert gemakkelijk CO ₂ .

Voor de echte wereldtoepassing van de adsorptiescheiding van CO ₂ vervat in uitlaatgassen, een grote hoeveelheid gas moet met hoge snelheid worden verwerkt. Het probleem is de opwekking van warmte geassocieerd met CO ₂ adsorptie. In traditionele "harde" adsorbentia, de warmte van adsorptie verhoogt de temperatuur, resulterend in verminderde CO ₂ adsorptie en verminderde CO ₂ selectiviteit. ELM-11, die een flexibele structuur heeft, zet uit als het CO . opneemt ₂ moleculen. De onderzoeksgroep richtte zich op de mogelijkheid dat de expansie van ELM-11 koude warmte kan genereren en de temperatuurstijging als gevolg van CO . effectief kan onderdrukken ₂ adsorptie.

Eerst, ze voerden een gasadsorptie-experiment uit op ELM-11 en voerden verschillende computerstudies uit om de CO . te kwantificeren ₂ scheidingscapaciteit van ELM-11. Ze vergeleken prestatiegegevens met HKUST-1, een conventioneel adsorbens dat als de meest veelbelovende wordt beschouwd voor het scheiden van CH4 en CO ₂ gas mengsels. Uit de gegevens bleek dat ELM-11 een CO ₂ selectiviteit 9,7 keer die van HKUST-1. de CO ₂ de terugwinningshoeveelheid per adsorbensgewicht is 2,1 keer dat van HKUST-1, die geen intrinsiek thermisch beheer heeft. ELM-11 bleek uitermate geschikt te zijn voor snelle adsorptiescheidingssystemen.

De onderzoekers ontwierpen een high-speed adsorptiescheidingssysteem bestaande uit tweetraps adsorptietorens, een verpakt met HKUST-1. Wanneer de CO ₂ concentratie in het gasmengsel een bepaalde drempelwaarde overschrijdt, ELM-11 zet snel uit en opent poriën, CO . adsorberen ₂ moleculen. Dit betekent dat wanneer de CO ₂ concentratie in het gas daalt tot de drempel door CO ₂ adsorptie op ELM-11, de resterende CO ₂ wordt helemaal niet geadsorbeerd en stroomt uit met CH4, wat betekent dat er geen hoogzuiver CH4-gas wordt verkregen. Daarom, om dit probleem te voorkomen installeerden de onderzoekers een kleine adsorptiekolom gevuld met HKUST-1 die uitstekende adsorptie-eigenschappen heeft voor lage concentratie CO ₂ gas, in de laatste fase van de adsorptiekolom gevuld met ELM-11. Ze voerden een doorbraakmeting uit voor een menggas van CH4 en CO ₂ met behulp van een kleine tweetraps adsorptiekolom, en kon bevestigen dat CH4-gas met een hoge zuiverheid werd verkregen.

Het tweetraps adsorptietorensysteem maakt de reductie van het totale torenvolume mogelijk, vermindert de hoeveelheid gebruikt adsorbens, en vermindert het energieverbruik. Op het eerste gezicht, het systeem is gebaseerd op een eenvoudig idee, maar het was mogelijk om de systeemgrootte op deze manier aanzienlijk te verkleinen door de adsorptietoren van de eerste fase zo te ontwerpen dat de kenmerken van ELM-11 volledig kunnen worden getoond. Het hybridisatiesysteem dat gebruikmaakt van de kenmerken van ELM-11 en HKUST-1 werkte buitengewoon effectief.

De onderzoekers moesten drie zaken ophelderen om te zien of ELM-11 de nodige kwaliteiten bezat die nodig zijn voor een echt scheidingsproces met hoge doorvoer. Eerst, het was noodzakelijk dat de respons van het hostframework voor het openen van de poort erg snel moest zijn. Ten tweede, de scheidingseigenschappen moeten werken voor niet-isotherme omstandigheden, die niet eerder is gemeld bij de kennis van de onderzoekers. Ten derde, het "slipping-off"-fenomeen veroorzaakt door een afname van de partiële gasdruk onder de openingsdruk van de poort, waardoor de flexibele MOF niet in staat is om moleculen te adsorberen die moeten worden aangepakt. ELM-11 toonde aan dat de onderzoekers in staat zijn om deze drie problemen te overwinnen, met de tweetraps adsorptietoren kan het probleem van het "afglijden" worden opgelost.

In aanvulling, dit systeem kan worden toegepast op de uitlaatgasbehandeling van CO ₂ emissiebronnen zoals thermische centrales. Om dit snelle adsorptie- / scheidingssysteem dat een adsorbens van het poorttype gebruikt in de praktijk te brengen, de belemmering van het openen van de poort door de pelletisering van flexibele MOF's, en de drukval als gevolg van de volume-expansie van pellets moet worden aangepakt. Het team is al begonnen met het aanpakken van deze problemen.

De resultaten van dit huidige onderzoek hebben de deuren geopend naar een nieuw tijdperk in gasscheiding. Corresponderende auteur Hideki Tanaka van Shinshu University stelt dat, "het duurde 3 jaar om de studie te publiceren, waarvoor we erg dankbaar zijn omdat de meervoudige feedback van reviewers zeer verhelderend was en de daaropvolgende herschrijvingen de studie innovatiever en beter maakten, wat er uiteindelijk toe leidde dat het artikel werd gepubliceerd in Natuurcommunicatie . Ik ben erg blij dat het harde werk van eerste auteur Shotaro Hiraide van de Universiteit van Kyoto eindelijk is beloond."