Captura de CO2 en mezclas de pre-combustión mediante membranas mixtas de polímero-MOF

La investigación realizada como Trabajo Fin de Grado del Grado en Ingeniería Química en la Universidad de Zaragoza, se resume en la memoria de “Captura de CO2 en mezclas de pre-combustión mediante membranas mixtas de polímero-MOF”. Las tareas de investigación se han desarrollado en los laboratorios del Instituto de Nanociencia de Aragón (INA), dentro del grupo Catálisis, Separaciones moleculares e Ingeniería del Reactor (CREG) que posee el Departamento de Ingeniería Química y Medio Ambiente de la Universidad de Zaragoza. El objetivo principal de este trabajo es la fabricación de membranas densas autosoportadas selectivas a la permeación de la mezcla gaseosa H2/CO2. Los materiales elegidos para este propósito ha sido los MOFs (metal organic frameworks) ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework–8) y MIL-140A. Estos MOFs presentan una estructura cristalina microporosa con aperturas de poros de 0,34 y 0,38 nm respectivamente, lo que los hace unos materiales propicios para la separación de dichos gases por un mecanismo de tamizado molecular. En cuanto a la matriz polimérica, se ha elegido polibencilimidazol (PBI), un polímero con propiedades también ventajosas en la separación de esta mezcla gaseosa. La combinación de los MOFs (o de, en general, otros rellenos) y los polímeros da lugar a las llamadas membranas de matriz mixta (mixed matrix membranes, MMMs). Las membranas se han caracterizado posteriormente mediante las técnicas analíticas más adecuadas (SEM, XRD, TGA, FTIR, DSC) y mediante ensayos de separación de una mezcla gaseosa equimolar de H2 y CO2 a distintas presiones de alimentación y temperaturas. El tratamiento térmico a 130 ºC era necesario para la activación de las membranas. Superar este valor, hubiera supuesto podía volver a las membranas frágiles y difíciles de procesar. El aumento de la temperatura ha tenido un efecto favorable sobra la separación de gases, mejorando el rendimiento de las MMMs, mientras que el aumento de la presión resultó desfavorable para la selectividad H2/CO2 y no tenía prácticamente ningún efecto sobre la permeabilidad. Finalmente se han comparado los resultados obtenidos para cada MOF y se han conseguido unos resultados de permeoselectividad positivos, especialmente con las membranas de ZIF-8 llegando a alcanzarse una permeabilidad de 447 Barrer junto con una selectividad H2/CO2 de 7,2

PBI mixed matrix hollow fiber membrane: Influence of ZIF-8 filler over H2/CO2 separation performance at high temperature and pressure

High performance and commercially attractive mixed-matrix membranes were developed for H2/CO2 separation via a scalable hollow fiber spinning process. Thin (~300 nm) and defect-free selective layers were successfully created with a uniform distribution of the nanosized (~60 nm) zeolitic-imidazole framework (ZIF-8) filler within the polymer (polybenzimidazole, PBI) matrix. These membranes were able to operate at high temperature (150 °C) and pressure (up to 30 bar) process conditions required in treatment of pre-combustion and syngas process gas streams. Compared with neat PBI hollow fibers, filler incorporation into the polymer matrix leads to a strong increase in H2 permeance from 65 GPU to 107 GPU at 150 °C and 7 bar, while the ideal H2/CO2 selectivity remained constant at 18. For mixed gas permeation, there is competition between H2 and CO2 transport inside ZIF-8 structure. Adsorption of CO2 in the nanocavities of the filler suppresses the transport of the faster permeating H2 and consequently decreases the H2 permeance with total feed pressure down to values equal to the pure PBI hollow fibers for the end pressure of 30 bar. Therefore, the improvement of fiber performance for gas separation with filler addition is compromised at high operating feed pressures, which emphasizes the importance of membrane evaluation under relevant process conditions.The authors acknowledge the financial support of the European Research Council under the European Union’s Seventh Framework Programme (FP/2007-2013), under grant agreement no. 608490, M4CO2 project. The Laboratorio de Microscopías Avanzadas (LMA) at INA, University of Zaragoza is also acknowledged

Ultrathin films of porous metal-organic polyhedra for gas separation

Ultrathin films of a robust Rh-based porous metal-organic polyhedra (MOP) have been obtained. Homogeneous and compact monolayer films (ca. 2.5 nm thick) were first formed at the air-water interface, deposited onto different substrates and characterized using spectroscopic methods, scanning transmission electron microscopy and atomic force microscopy. As a proof of concept, the gas separation performance of MOP-supported membranes has also been evaluated. Selective MOP ultrathin films (thickness ca. 60 nm) exhibit remarkable CO permeance and CO/N selectivity, demonstrating the great combined potential of MOP and Langmuir-based techniques in separation technologies