Eine Strategie zur Herstellung von Metall

Feature vom 8. September 2021

von Ingrid Fadelli, Tech Xplore

Die Trennung leichter Kohlenwasserstoffgemische gehört zu den wichtigsten petrochemischen und industriellen Prozessen. Dieser Prozess gilt derzeit als sehr energieintensiv, da er bisher mit konventionellen Techniken wie der kryogenen Destillation durchgeführt wird.

Eine alternative Möglichkeit zur Abtrennung leichter Kohlenwasserstoffe könnte der Einsatz membranbasierter Trennverfahren sein. Im Gegensatz zur kryogenen Destillation und anderen herkömmlichen Verfahren wird die membranbasierte Trennung nicht durch Wärme angetrieben und könnte daher dazu beitragen, den Gesamtenergiebedarf der Trennung leichter Kohlenwasserstoffe zu senken. Wissenschaftler auf der ganzen Welt haben daher in den letzten Jahren versucht, neue Materialien zu entwickeln und zu identifizieren, aus denen sich Membranen für solche energieintensiven Trennungen herstellen lassen.

Forscher der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) haben kürzlich eine vielseitige elektrochemische Strategie zur gerichteten Assemblierung zur Herstellung von Membranen für die Trennung von Kohlenwasserstoffen eingeführt. Diese Strategie, die in einem in Nature Energy veröffentlichten Artikel vorgestellt wurde, ermöglichte es ihnen, metallorganische Gerüste als kontinuierliche dünne Filme herzustellen und sie als Membranen einzusetzen, wodurch der Energieaufwand bei Kohlenwasserstofftrennungsprozessen im Vergleich zu herkömmlichen Einzeldestillationsprozessen um fast 90 % reduziert werden konnte.

„Unsere früheren Untersuchungen zum Design, der Entdeckung und der Entwicklung von metallorganischen Gerüsten (MOFs) haben eine neue Plattform auf Basis der kubisch flächenzentrierten (fcu) MOFs enthüllt, die sich durch eine ultrafeine Abstimmung ihrer Poren verändern ließen.“ -Öffnungen, wodurch die fcu-MOFs als geeignete Sorbentien für verschiedene wichtige Trennungen positioniert werden“, sagte Mohamed Eddaoudi, einer der Forscher, die die Studie durchgeführt haben, gegenüber TechXplore. „Das Hauptziel unserer Studie bestand darin, sie auf die nächste Stufe zu heben und diese ausgewählten Adsorptionsmaterialien zu praktischen Membranen zu verarbeiten, die eine hohe Permselektivität bei industriell relevanten hohen Drücken und unter aggressiven Bedingungen bieten. Darüber hinaus können sie einfach in einer hergestellt werden.“ skalierbare und robuste Mode.“

Die Herstellung defektfreier polykristalliner MOF-Membranen ist eine große Herausforderung, da sie einen hochkontrollierbaren Wachstumsprozess erfordert. Zur Herstellung ihrer Membranen verwendeten Eddaoudi und seine Kollegen einen elektrochemischen Ansatz, bei dem ein kontrollierter externer Strom angelegt wird, um die Kristallisation und das Zusammenwachsen eines polykristallinen fcu-MOF-Dünnfilms auf einem porösen Träger zu fördern.

„Im Vergleich zum herkömmlichen solvothermalen Wachstum ist dieser elektrochemische Ansatz gut kontrollierbar, sodass hochwertige Dünnfilme erhalten werden können“, erklärte Sheng Zhou (Doktorand und Erstautor). „Außerdem sind die Herstellungsbedingungen viel milder und schneller als bei anderen Methoden und erfordern nur Raumtemperatur, Atmosphärendruck und eine kurze Wachstumszeit (zwei Stunden). Daher ist diese Strategie praktischer und skalierbarer.“

Durch die erfolgreiche Kombination der retikulären Chemie mit einem elektrochemischen Syntheseansatz konnten Eddaoudi und seine Kollegen kontinuierliche, defektfreie fcu-MOF-Membranen mit stabilen, intrinsischen Molekularsiebeigenschaften herstellen. Diese Eigenschaften machen die von ihnen entwickelten Membranen besonders vielversprechend für die Trennung leichter Kohlenwasserstoffe.

Darüber hinaus entwickelten die Forscher als erste eine Methodik, mit der sich die richtigen Bedingungen für die Herstellung geschlossener Dünnfilmmembranen auf Basis einer Reihe von MOFs mit verschiedenen Linkertypen bestimmen lassen. Künftig könnten Membranen, die mit der von ihnen entwickelten Strategie hergestellt werden, die Prozesse zur Kohlenwasserstofftrennung erheblich verbessern.

„Der Einsatz unserer Zr-fum-fcu-MOF-Membranen in einem hybriden Membran-Destillationssystem bietet das Potenzial, den Energieeinsatz im Vergleich zu einem herkömmlichen Einzeldestillationsprozess zur Propylen/Propan-Trennung um fast 90 % zu senken“, sagt Dr. Osama Shekhah (leitender Wissenschaftler) sagte. „Wir versuchen derzeit, unser Membrandesign und unsere Membranherstellung auf andere Systeme auszudehnen, um anspruchsvollere, aber wichtige Trennungen zu bewältigen. Gleichzeitig arbeiten wir an verschiedenen Möglichkeiten, die Herstellung unserer Membranen zu vergrößern, einschließlich der Vorbereitung im großen Maßstab.“ Hohlfasermembranen.“ sagte Eddaoudi.

Mehr Informationen: Sheng Zhou et al., Elektrochemische Synthese kontinuierlicher metallorganischer Gerüstmembranen zur Trennung von Kohlenwasserstoffen, Nature Energy (2021). DOI: 10.1038/s41560-021-00881-y

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