Fein abgestimmte Kohlenwasserstoffabscheidung bei niedrigen Energiekosten
Metallorganische Gerüstmembranen, die Kohlenwasserstoffe selektiv abtrennen, schaffen die Voraussetzungen für nachhaltigere petrochemische Prozesse
Ein an der KAUST entwickelter elektrochemischer Ansatz ermöglicht die Herstellung von Molekularsiebmembranen, die eine kostengünstige und energieeffiziente Trennung von leichten Kohlenwasserstoffen wie Olefinen und Paraffinen ermöglichen könnten. Diese Trennung, die für die petrochemische Industrie von entscheidender Bedeutung ist, beruht in der Regel auf äußerst energieintensiven Verfahren wie der Destillation.
KAUST-Ingenieure haben eine kostengünstige und energieeffizientere Methode zur Abtrennung leichter Kohlenwasserstoffe entwickelt, ein Prozess, der normalerweise sehr viel Energie verbraucht.
© 2021 KAUST; Sheng Zhou, Osama Shekhah
Membranbasierte Strategien haben sich als vielversprechende Alternativen zu wärmegetriebenen Trennverfahren erwiesen. Bestehende Membranen auf Polymerbasis sind nicht selektiv genug für die Abtrennung von Kohlenwasserstoffen und unterliegen außerdem bei hohem Druck einer Plastifizierung, d. h. einer Strukturveränderung, die ihre Poren verändert. Hochporöse kristalline Materialien, so genannte kubisch-flächenzentrierte metallorganische Gerüste (metal-organic frameworks, MOFs), weisen dagegen modulare Poren mit genau einstellbaren dreieckigen Öffnungen auf. Das bedeutet, dass sie so modifiziert werden können, dass sie leichte Kohlenwasserstoffgemische trennen. Darüber hinaus sind die ausgewählten MOFs unempfindlich gegenüber Weichmachern.
Bei herkömmlichen MOF-Herstellungsverfahren, wie der solvothermischen Synthese, werden organische Linker geeigneter Länge und Masse mit einer Metallquelle umgesetzt, um einen ausgedehnten kristallinen Feststoff mit der gewünschten Porengeometrie zu erhalten. Diese Methoden erfordern jedoch relativ hohe Temperaturen, hohe Drücke und lange Reaktionszeiten, die sich nicht ohne Weiteres vergrößern lassen.
"Unser Ansatz ermöglicht die Synthese von kontinuierlichen MOF-Filmen bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck in kurzer Zeit", sagt Mohamed Eddaoudi, der die Studie leitete.
Als Bausteine wählten die Forscher vormontierte hexanukleare Cluster aus Seltenen Erden und Zirkonium, die mit Linkern reagierten, die bei Bedarf deprotoniert werden konnten, um winzige, miteinander verbundene Kristallite mit freiliegenden dreieckigen Fenstern zu bilden.
Anstelle einer Base verwendet der elektrochemische Ansatz externe Elektronen, um die Linker zu deprotonieren, was ihn anpassungsfähig und einfacher zu steuern macht, indem die Stromdichte und die Linker-Konzentration angepasst werden. "Die protonierten Linker werden zuerst zugegeben und dann kontrolliert deprotoniert, so dass sie sofort verbraucht werden und die gewünschten kristallinen Materialien entstehen", sagt Doktorandin Sheng Zhou.
Die resultierenden nanoporösen Membranen trennten selektiv Propylen/Propan- und Butan/Isobutan-Gemische. Auch unter hohem Druck, hoher Luftfeuchtigkeit und stark korrosiven Bedingungen, wie sie in der Industrie vorkommen, zeigten sie gute Leistungen.
Wie der leitende Forscher Osama Shekhah erklärt, wählte das Team seine MOF-Plattform aufgrund ihrer erwiesenen chemischen Stabilität. "Wenn wir diese MOF-Reihe in kontinuierliche Membranen umsetzen, wird sie die industriellen Anforderungen und die gewünschte Robustheit unter praktischen industriellen Extrembedingungen voll erfüllen", fügt er hinzu. "Die verbleibende Herausforderung besteht darin, diese Membranen auf den erforderlichen industriellen Maßstab zu bringen."
In Zusammenarbeit mit Katalysewissenschaftlern der KAUST führte das Team Simulationen durch, die darauf hindeuteten, dass die zirkoniumbasierten Membranen in Hybridmembran-Destillationssystemen zur Herstellung von hochreinem Propylen erhebliche Energie- und Betriebskosteneinsparungen ermöglichen.
Das Team versucht nun, den Herstellungsprozess zu erweitern, um kompaktere Membranmodule herzustellen und deren Leistung unter industriellen Bedingungen zu bewerten.
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