Rapida selezione delle membrane di separazione
La rimozione della CO2 dalle miscele di gas come ad esempio il biogas per aumentare la purezza del metano che ne è un componente ha numerosi benefici. Essa aumenta il contenuto energetico del gas naturale e ne diminuisce il costo. Essa inoltre riduce le emissioni che contribuiscono al cambiamento climatico globale e impedisce la liquefazione della CO2 nei gasdotti durante il trasporto. Grazie al supporto dell’UE al progetto COMMOF (Composite membranes with metal organic frameworks for high efficiency gas separations), gli scienziati hanno identificato nuove membrane composite altamente selettive per la CO2 per la purificazione del gas naturale. Le membrane sono composte da polimeri in cui sono integrate le strutture selettive metallo organiche (MOF, metal organic framework). Questi composti porosi 3D simili a gabbie possono essere formati a partire da costituenti di metalli e molecole organiche praticamente illimitati. Essi stanno guadagnando rapidamente terreno per applicazioni in adsorbimento e separazione del gas. Basandosi su altri lavori che mostrano il potenziale delle MOF per migliorare le prestazioni delle membrane polimeriche di separazione, il team ha sviluppato modelli e algoritmi computazionali dettagliati delle MOF, delle membrane e del processo di separazione. Essi sono stati usati per selezionare rapidamente la miriade di possibili combinazioni. La selezione iniziale del database delle MOF e la modellazione di MOF pure e di MOF composite polimeriche hanno mostrato che entrambi i sistemi hanno delle ottime prestazioni nella separazione della CO2. Persino le MOF pure hanno prestazioni significativamente migliori rispetto alle tradizionali membrane di separazione per la CO2. Dopo aver confrontato vari modelli teorici di permeazione, gli scienziati hanno usato il miglior modello predittivo per valutare le prestazioni di 80 nuove membrane MOF/composite polimeriche formate da 10 differenti MOF e 8 differenti polimeri. I risultati hanno mostrato che le particelle riempitive della MOF nei polimeri potrebbero aumentare significativamente la permeabilità dei polimeri puri. I ricercatori hanno inoltre mostrato che l’inclusione delle interazioni elettrostatiche tra l’adsorbato e le MOF era fondamentale nel caso di membrane pure MOF. Essa diventava importante per i compositi con l’aumentare della percentuale di volume delle MOF. COMMOF ha prodotto uno strumento molto potente per la modellazione MOF/polimero e per la selezione rapida di membrane composite selettive per la CO2. Mediante la sua applicazione, esso ha consentito l’identificazione di nuovi compositi tra migliaia di candidati. I risultati hanno portato a sette pubblicazioni in riviste scientifiche a revisione paritaria, mentre ulteriori pubblicazioni sono attualmente in fase di revisione. Lungo la strada, il progetto ha formato una nuova generazione di ricercatori altamente qualificati nel campo della sovrapposizione di MOF, membrane e cattura della CO2, che è notevolmente importante.
Parole chiave
Membrane di separazione, membrane composite, CO2, struttura metallo organica, separazioni gas
