|
Процессы разделения энергоемкие широко используются в промышленном производстве нефтехимической основе и био-основе топлива и химических веществ, а также целого ряда других технологических материалов. Наиболее распространенный метод разделения является перегонка, которая применяется тепло в химических смесей отогнать специфические молекулы в соответствии с их точками кипения. Другие методы, такие как кристаллизации, включают охлаждение до более низких температур, чтобы отделить молекулы из смесей. В отличие от этого, мембранное молекулярное просеивание использует полупроницаемые материалы для отделения молекул из смесей, которые производятся в результате химических реакций или находятся сырье. Процесс может быть вызван градиентом давления, и опирается на мембраны, которые предпочтительно передают определенные молекулы через их пор структуры. Кристаллические материалы, известные как цеолиты были сфабрикованы в мембраны, но высокие затраты на изготовление мембраны и ограниченный выбор материалов предотвратили их широкое применение.
Металл-органические структуры (MOF) материалов предлагают альтернативу с более щадящих методов изготовления и многих тысяч видов материалов, доступных. Но прежде, чем MOF мембраны могут быть использованы в широком масштабе, исследователи должны были найти способы их получения по низкой цене в больших объемах. Новая методика получения MOF мембраны использует большой площади поверхности, которую можно получить с помощью большого количества полых волокон, выделенных из недорогих полимеров. Например, один кубический метр мембранный модуль из полых волокон может содержать до 10000 квадратных метров площади мембраны.
Новый процесс изготовления зависит от микрофлюидной техники для привлечения различных реагентов, необходимых для организации MOF мембраны с контактами внутри волокон. Внутренний диаметр волокон может быть 100 мкм или менее, ограничивая количество реагентов, присутствующих и изменения взаимодействие физических и химических сил, которые контролируют образование мембраны. Регулируя поток и позиционирование реагентов и их растворителей, исследователи научились контролировать местоположение мембранных пленок MOF, позволяя их образование на внутренней или внешней стороне волокон - и даже в структуре волокон."Мы объединили высокопроизводительный MOF материал с новой техникой изготовления, чтобы придумать с мембраной, можно масштабировать в недорогой способ", пояснил Наир. "Ключевым реализация за этим развитием, что если вы хотите, чтобы наращивать MOF рост мембраны использования полых модули волокна, вы должны сначала узнать, как сократить масштабы своего роста микроскопических средах отдельных полых волокон."
После того, как исследователи научились изготавливать функциональную мембрану с использованием одного полого волокна, они могут одновременно изготавливать мембраны параллельно на нескольких полых волокон, которые были предварительно собраны в модуль. Исследование, о котором в журнале производится мембранные пленки, изготовленные из MOF ЗИФ-8 внутри одновременно в трех волокон. В конечном счете, Наир считает большие пучки полимерных волокон может быть предварительно собраны в модули, а затем покрыты одновременно с молекулярными рассева MOF мембран. Следующим важным шагом для исследований является разработка более микроскопический понимание процесса. "Для оптимизации эту технику и масштабировать его до тысяч или даже миллионы волокон, в то время, мы должны копать глубже, чтобы понять, как химические реакции и процессы молекулярные транспортные ведущие к образованию мембраны можно управлять при микроскопических условий, существующих в волокна ", сказал Наир. Хотя исследователи до сих пор демонстрация работоспособности их мембран в газообразных процессов разделения, представляющих интерес для нефтехимической промышленности, технология мембраны может иметь более широкое применение.
"Подход, который мы разработали могли открыть дверь в совершенно новый класс молекулярной просеивания, поликристаллических кино мембран", сказал Кристофер Джонс, профессор в Школе химической и биомолекулярных инженерия и еще один из соавторов бумаги. "Такие мембраны может революционизировать как нефть и химические компании осуществляют газовой и жидкой разделения, например, путем замены энергоемких и дорогостоящих криогенных процессов дистилляции с несколькими источниками энергии чистых мембранных разделений".
|
