Khung kim loại hữu cơ vẫn tách khí dù có sự xuất hiện của nước

Khung kim loại hữu cơ (MOF) là vật liệu có triển vọng tách khí với chi phí thấp và ít tốn kém năng lượng ngay cả khi có các tạp chất như nước.

Các phân tích thực nghiệm về hiệu suất của MOF trong việc tách propan và propene trong điều kiện thực tế cho thấy lý thuyết phổ biến nhất để dự đoán mức độ chọn lọc không đưa ra được những ước tính chính xác và nước cũng là tạp chất không ảnh hưởng bất lợi đến hiệu suất của vật liệu.

Hydrocacbon chuỗi ngắn được tạo ra trong hỗn hợp sau khi xử lý dầu thô tại các nhà máy lọc dầu và cần được tách ra để có ích trong ngành công nghiệp. Ví dụ, propane được dùng làm nhiên liệu và propene làm nguyên liệu thô cho quá trình tổng hợp hóa học như sản xuất polyme. Tuy nhiên, quá trình phân tách thường đòi hỏi nhiệt độ và áp suất cao, ngoài ra việc loại bỏ các tạp chất khác như nước làm cho quá trình tiêu tốn năng lượng và đắt đỏ.

Cấu trúc của MOF được nghiên cứu cung cấp giải pháp thay thế tách lâu dài, dễ thích nghi và quan trọng là hiệu quả trong điều kiện môi trường xung quanh. Chúng dựa vào thực tế là các phân tử không bão hòa như propene có thể được tạo phức với các nguyên tử kim loại tiếp xúc với vật liệu, trong khi các phân tử bão hòa như propan không làm được điều đó. Dù nghiên cứu tập trung vào phát triển nhiều khung hữu cơ kim loại cho các quá trình phân tách khác nhau, nhưng tính khả thi của việc sử dụng các vật liệu này trên các ứng dụng quy mô công nghiệp thường chỉ được đánh giá bằng cách dựa vào lý thuyết đưa ra nhiều giả định lý tưởng về cả vật liệu và độ tinh khiết của khí. Do đó, không rõ liệu những dự đoán này đúng trong trong các điều kiện phức tạp nhưng cũng thực tế hơn hay không.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại trường Đại học Hokkaido do GS. Shin-ichiro Noro dẫn đầu cùng với nhóm nghiên cứu của GS. Roland A. Fischer tại Đại học Kỹ thuật Munich đã tiến hành một loạt các phép đo hiệu suất của mẫu MOF để xác định tính chọn lọc trong thế giới thực của vật liệu cho cả MOF hoàn toàn khô và MOF tiếp xúc với nước.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí ACS Applied Materials & Interfaces cho thấy độ chọn lọc theo dự đoán của vật liệu quá cao so với kết quả trong thế giới thực. Ngoài ra, nước không làm giảm mạnh độ chọn lọc, dù làm giảm khả năng hấp thụ khí của vật liệu. Sau đó, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các tính toán hóa học lượng tử để tìm hiểu lý do và nhận ra rằng chính các phân tử nước cung cấp những vị trí liên kết mới cho các hydrocacbon không bão hòa như propene (nhưng không phải propan), do đó duy trì được chức năng của vật liệu.

Các nhà nghiên cứu tuyên bố: "Chúng tôi đã chứng tỏ sức mạnh của các thí nghiệm hấp phụ đa thành phần trong việc phân tích tính khả thi của việc sử dụng hệ thống MOF". Do đó, nhóm nghiên cứu muốn nâng cao nhận thức về hạn chế của các lý thuyết thường được sử dụng và thúc đẩy các nhóm nghiên cứu khác cũng sử dụng kết hợp nhiều phép đo trong thế giới thực.

Theo Vista.gov.vn