Szybkie przesiewanie membran separacyjnych
Usuwanie CO2 z mieszanin gazowych, takich jak biogaz, w celu zwiększenia czystości zawartego w nich metanu przynosi liczne korzyści. Pozwala ono zwiększyć ilość energii uzyskiwanej z gazu ziemnego i obniżyć jego koszty. Przyczynia się także do ograniczenia emisji wpływających na globalną zmianę klimatu oraz zapobiega upłynnianiu CO2 w instalacjach rurowych podczas przesyłu. W ramach projektu COMMOF (Composite membranes with metal organic frameworks for high efficiency gas separations), finansowanego ze środków UE, naukowcy uzyskali nowe wysoce selektywne względem CO2 membrany kompozytowe służące do oczyszczania gazu ziemnego. Membrany zbudowane są z polimerów, w których umieszczono selektywne sieci metaloorganiczne (MOF). Te trójwymiarowe porowate, przypominające klatkę związki można tworzyć z praktycznie nieograniczonej liczby metali i cząsteczek organicznych. Są one coraz powszechniej stosowane w adsorpcji i separacji gazów. Wykorzystując inne prace, wskazujące na potencjał MOF w zakresie poprawy wydajności polimerowych membran separacyjnych, zespół opracował szczegółowe modele i algorytmy obliczeniowe MOF, membran i procesu separacji. Wykorzystano je do szybkiego przeanalizowania bardzo dużej liczby możliwych kombinacji. Wstępna analiza bazy danych MOF i modelowanie czystych MOF oraz kompozytów z polimerów i MOF dowiodły, że oba systemy doskonale sprawdzają się w separacji CO2. Nawet czyste MOF uzyskały znacznie lepsze wyniki niż tradycyjne membrany do separacji CO2. Po porównaniu różnych teoretycznych modeli permeacji naukowcy użyli najlepszego modelu predykcyjnego do oceny wydajności 80 nowych membran z MOF i kompozytów polimerowych, zbudowanych z 10 różnych MOF i 8 różnych polimerów. Wyniki pokazały, że cząsteczki wypełniacza MOF w polimerach mogą znacząco poprawić przepuszczalność czystych polimerów. Uczeni dowiedli także, że w przypadku membran z czystych MOF kluczowe znaczenie ma uwzględnienie oddziaływań elektrostatycznych między adsorbatem a MOF. Znaczenie to rośnie wraz ze wzrostem zawartości MOF w materiale kompozytowym. W ramach projektu COMMOF opracowano zaawansowane narzędzie do modelowania MOF/polimerów i szybkiej analizy membran kompozytowych selektywnych względem CO2. Pozwoliło ono na zidentyfikowanie nowych kompozytów spośród tysięcy potencjalnych materiałów. Owocem prac jest siedem publikacji w czasopismach naukowych, a kolejne znajdują się w fazie przygotowania. Przeszkolono także nową generację wysoce uzdolnionych naukowców w zakresie MOF, membran i przechwytywania CO2.
Słowa kluczowe
Membrany separacyjne, membrany kompozytowe, CO2, sieci metaloorganiczne, separacja gazów
