Onzuivere chemische mengsels kunnen nu worden gescheiden op basis van verschillen in moleculair silhouet. Er zijn membranen ontwikkeld met poriën op nanoschaal die overeenkomen met de vorm van onzuiverheden in de mix, zodat alleen de onzuiverheid er doorheen kan. KAUST-onderzoekers hebben gesuggereerd dat de eerste toepassing van deze op metaal-organische raamwerken (MOF) gebaseerde vormselectieve membranen een energie-efficiënte, goedkope zuivering van aardgas zou kunnen zijn.

MOF's zijn organisch-anorganische hybride kristallijne poreuze materialen die door hun structuur verschillende soorten poriën kunnen vertonen. Door MOF's te construeren uit verschillende organische en anorganische bouwstenen, kunnen onderzoekers de poriestructuur en het diafragma fijn afstemmen. MOF-membranen hebben eerder een groot potentieel getoond voor het scheiden van mengsels van moleculen op basis van verschillen in grootte of polariseerbaarheid.

Aardgas, ook wel methaan genoemd, zal naar verwachting een steeds belangrijkere rol gaan spelen in de wereldwijde energievoorziening tijdens de transitie naar hernieuwbare energiebronnen. Vrijwel alle aardgasreservoirs zijn verontreinigd met stikstof. "De stikstof verdunt de verwarmingswaarde van aardgas, dus het moet worden verwijderd", zegt Sheng Zhou, een Ph.D. student in het laboratorium van Mohamed Eddaoudi, die het onderzoek leidde.

Stikstof is chemisch inert en zowel qua kinetische vorm als polariseerbaarheid vergelijkbaar met methaan, en kan dus niet door bestaande membranen worden verwijderd. "Voor industriële aardgaszuivering moeten er stikstofafstotingseenheden zijn op basis van cryogene destillatie", zegt Zhou. Deze scheidingstechniek bij ultra-lage temperatuur is duur en energie-intensief.

Eddaudi, Zhou en hun collega's hebben een zeer efficiënte MOF-gebaseerde methode ontwikkeld om methaan te zuiveren. "We hebben een poreus membraan ontworpen dat stikstof en methaan scheidt door gebruik te maken van één significant verschil tussen de moleculen:hun vorm", zegt Zhou.

Terwijl stikstof een staafachtige lineaire structuur heeft, heeft methaan een driehoekig klaverbladachtig profiel. Het team creëerde een nieuw membraanmateriaal, genaamd Zr-fum₆₇ -mes₃₃ -fcu-MOF, met asymmetrische poriën die precies zijn gevormd om methaan te blokkeren maar stikstof door te laten.

Het team heeft nu aangetoond dat, vergeleken met cryogene scheiding, de vormselectieve MOF de zuiveringskosten met 66 procent verlaagde voor een methaanstroom die 15 procent stikstof bevat.

Andere potentiële onzuiverheden kunnen ook worden verwijderd. Voor methaan dat verontreinigd was met 35 procent kooldioxide en 15 procent stikstof, werden de zuiveringskosten met ongeveer 73 procent verlaagd. "We zagen een enorme vermindering van de totale zuiveringskosten toen het membraan werd gebruikt", zegt Osama Shekhah, een senior onderzoeker in het laboratorium van Eddaoudi.

Tot nu toe werd vormverschil in moleculaire mengsels grotendeels genegeerd, zegt Eddaoudi. "Shape-mismatch geïnduceerde scheiding is een totaal nieuw scheidingsmechanisme", zegt hij. "Once people focus on shape-mismatch separation, they may find many chemical mixtures, such as linear and branched hydrocarbons or aromatic chemicals, that could be efficiently separated using this concept."

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature . + Verder verkennen

Designing the perfect membrane for clean separation of gases