Misturas químicas impuras agora podem ser separadas com base em diferenças na silhueta molecular. As membranas foram desenvolvidas com poros em nanoescala que combinam com a forma das impurezas na mistura para que apenas a impureza possa passar. Os pesquisadores da KAUST sugeriram que a primeira aplicação dessas membranas seletivas de forma baseadas em estrutura metal-orgânica (MOF) poderia ser a purificação de gás natural com eficiência energética e baixo custo.
Os MOFs são materiais porosos cristalinos híbridos orgânico-inorgânicos que podem apresentar diferentes tipos de poros através de sua estrutura. Ao construir MOFs a partir de diferentes blocos de construção orgânicos e inorgânicos, os pesquisadores podem ajustar a estrutura e a abertura dos poros. As membranas MOF mostraram anteriormente grande potencial para separar misturas de moléculas com base em diferenças em seu tamanho ou polarizabilidade.

Prevê-se que o gás natural, também conhecido como metano, desempenhe um papel cada vez mais importante no fornecimento global de energia durante a transição para as energias renováveis. Quase todos os reservatórios de gás natural estão contaminados com nitrogênio. "O nitrogênio dilui o poder calorífico do gás natural, então ele deve ser removido", diz Sheng Zhou, Ph.D. estudante no laboratório de Mohamed Eddaoudi, que liderou a pesquisa.

O nitrogênio é quimicamente inerte e semelhante em forma cinética e polarizabilidade ao metano, portanto não pode ser removido pelas membranas existentes. "Para purificação de gás natural industrial, é necessário haver unidades de rejeição de nitrogênio baseadas em destilação criogênica", diz Zhou. Esta técnica de separação de temperatura ultra baixa é cara e consome muita energia.

Eddauodi, Zhou e seus colegas desenvolveram um método baseado em MOF altamente eficiente para purificar o metano. "Nós projetamos uma membrana porosa que separa o nitrogênio do metano, explorando uma diferença significativa entre as moléculas:sua forma", diz Zhou.

Enquanto o nitrogênio tem uma estrutura linear semelhante a uma haste, o metano tem um perfil tipo trevo triangular. A equipe criou um novo material de membrana, chamado Zr-fum₆₇ -mes₃₃ -fcu-MOF, com poros assimétricos precisamente moldados para bloquear o metano, mas permitir a passagem do nitrogênio.

A equipe mostrou agora que, em comparação com a separação criogênica, o MOF seletivo de forma reduziu os custos de purificação em 66% para um fluxo de metano contendo 15% de nitrogênio.

Outras impurezas potenciais também podem ser removidas. Para metano contaminado com 35% de dióxido de carbono e 15% de nitrogênio, o custo de purificação foi reduzido em aproximadamente 73%. "Vimos uma enorme redução no custo total de purificação quando a membrana foi usada", diz Osama Shekhah, pesquisador sênior do laboratório de Eddaoudi.

Até agora, a diferença de forma em misturas moleculares tem sido amplamente ignorada, diz Eddaoudi. "A separação induzida por incompatibilidade de forma é um mecanismo de separação totalmente novo", diz ele. “Uma vez que as pessoas se concentram na separação de formas incompatíveis, elas podem encontrar muitas misturas químicas, como hidrocarbonetos lineares e ramificados ou produtos químicos aromáticos, que podem ser separados com eficiência usando esse conceito”.

A pesquisa foi publicada na Nature . + Explorar mais

Projetando a membrana perfeita para separação limpa de gases