金属加工戦略

2021年9月8日特集

イングリッド・ファデリ著、Tech Explore

軽質炭化水素混合物の分離は、最も重要な石油化学および工業プロセスの 1 つです。 このプロセスは、これまで極低温蒸留などの従来の技術を使用して実行されてきたため、現在、非常にエネルギーを大量に消費すると考えられています。

軽質炭化水素を分離する別の方法は、膜ベースの分離プロセスを使用することです。 深冷蒸留や他の従来のプロセスとは対照的に、膜ベースの分離は熱によって駆動されないため、軽質炭化水素の分離に必要な全体的なエネルギーの削減に役立つ可能性があります。 過去数年間にわたり、世界中の科学者は、このようなエネルギー集約型の分離を実行するための膜の製造に使用できる新しい材料の開発と特定を試みてきました。

キング・アブドラ科学技術大学 (KAUST) の研究者らは最近、炭化水素分離用の膜を製造するための多用途の電気化学的方向集合戦略を導入しました。 Nature Energy に掲載された論文で紹介されたこの戦略により、有機金属フレームワークを連続薄膜として製造し、膜として展開することが可能となり、従来の単蒸留プロセスと比較して、炭化水素分離プロセスでのエネルギー入力をほぼ 90% 削減することができました。

「金属有機フレームワーク (MOF) の設計、発見、開発に関するこれまでの研究により、面キャンター立方体 (fcu) MOF に基づく新しいプラットフォームが明らかになり、細孔の超微調整が可能であることが判明しました。開口部を利用して、fcu-MOF をさまざまな重要な分離に適した吸着剤として位置づけています」と、この研究を実施した研究者の 1 人である Mohamed Eddaoudi 氏は TechXplore に語った。 「私たちの研究の主な目的は、それらを次のレベルに引き上げ、これらの選択された吸着材料を加工して、工業的に適切な高圧および攻撃的な条件下で高い選択透過性を提供する実用的な膜に加工することでした。それに加えて、それらは容易に製造できます。」スケーラブルで堅牢なファッション。」

欠陥のない多結晶MOF膜を製造することは、高度に制御可能な成長プロセスを必要とするため、非常に困難です。 膜を作製するために、Eddaoudi らは、制御された外部電流を印加して多孔質支持体上の多結晶 fcu-MOF 薄膜の結晶化と相互成長を促進することによって機能する電気化学的アプローチを使用しました。

「従来のソルボサーマル成長と比較して、この電気化学的アプローチは高度に制御可能であるため、高品質の薄膜を得ることができます」と Sheng Zhou (博士課程の学生で筆頭著者) は説明しました。 「また、製造条件は他の方法を使用するよりもはるかに穏やかで高速であり、必要なのは室温、大気圧、短い成長時間（2 時間）のみです。その結果、この戦略はより実用的でスケールアップしやすいものになります。」

Eddaoudiらは、網状化学と電気化学合成アプローチをうまく組み合わせることで、安定した固有の分子ふるい特性を備えた連続的で欠陥のないfcu-MOF膜を作製することができた。 これらの特性により、彼らが作成した膜は軽質炭化水素の分離に特に有望です。

さらに、研究者らは、さまざまな種類のリンカーを備えた一連の MOF に基づいて、閉じた薄膜膜を製造するための適切な条件を決定するために使用できる方法論を開発した最初の者でもあります。 将来的には、彼らが開発した戦略を使用して作成された膜は、炭化水素分離プロセスを大幅に強化できる可能性があります。

「ハイブリッド膜蒸留システムに当社の Zr-fum-fcu-MOF 膜を導入すると、プロピレン/プロパン分離のための従来の単一蒸留プロセスと比較して、エネルギー入力をほぼ 90% 削減できる可能性があります。」とオサマ シェカ博士は述べています。 （上級研究員）と語った。 「私たちは現在、より困難だが重要な分離に対処するために、膜の設計と製造を他のシステムに拡張しようとしています。同時に、大規模な膜の準備を含め、膜の製造をスケールアップするためのさまざまな方法に取り組んでいます。」中空糸膜です。」 エダウディ氏は語った。

詳しくは： Sheng Zhou 他、炭化水素分離のための連続金属有機フレームワーク膜の電気化学的合成、Nature Energy (2021)。 DOI: 10.1038/s41560-021-00881-y

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