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2025-01-18 13:20:00
プロピレンとプロパンを効率的に分離するために、生物からインスピレーションを得た鱗状構造を備えた耐摩耗性の金属有機フレームワーク膜が開発されました。クレジット: DICP
研究者らは、プロピレンをプロパンから効率的に分離し、高性能、長期安定性、産業上の拡張性を提供する、耐久性のある生物由来の ZIF-67 MOF 膜を開発しました。
ポリマーグレードのプロピレン (>99.5%) は、化学産業において重要な原料です。その製造では、製品の流れの副産物としてプロパンが必然的に生成されます。ポリマーグレードのプロピレンを製造する重要なステップは、プロパンからプロピレンを分離することです。これは、分子の物理的および化学的特性がほぼ同一であるため、困難でエネルギーを大量に消費するプロセスです。
モレキュラーシーブ膜は、この分離にエネルギー効率が高く効果的なソリューションを提供します。有機金属フレームワーク (MOF) は、これらの膜の材料として有望です。ただし、その性能は、正確な分子ふるい分けを妨げる、柔軟なケージ窓と非選択的な結晶間欠陥による「ゲート開口」効果によって制限されます。さらに、MOF 膜は脆く、使用中の物理的衝撃や磨耗により分離効率が大幅に低下する可能性があります。
革新的なバイオインスパイアされた ZIF-67 メンブレン
で発表された研究では、 ネイチャーコミュニケーションズ、Weishen Yang教授と准教授が率いる研究チーム。中国科学院大連化学物理研究所（DICP）のYuan Peng教授は、接線方向と法線の織り交ぜ構成を特徴とする耐摩耗性MOF膜ZIF-67を開発した。この膜は、麻痺したケージ窓を利用し、粒界欠陥に対処することにより、プロピレンとプロパンの正確な分離を可能にします。
過酷な自然環境で生き残るために、多くの動植物は、優れた耐摩耗性と耐衝突性を備えた凹凸のある表面テクスチャを進化させてきました。これらの自然な耐摩耗性の装甲テクスチャに触発され、研究者らは多孔質基板上に織り交ぜた構造を持つ前駆体層を成長させました。この層は、鱗状のインターレース構造を持つ ZIF-67 膜にエレガントに変換されました。この生物由来の ZIF-67 膜は、高性能でプロピレンをプロパンから効果的に分離できます。
パフォーマンスを最適化するデュアルセクション構造
生体からインスピレーションを得た膜構造は、正確な分離を担う接線方向 (T) セクションと、耐摩耗性の装甲として機能する膨らんだ法線 (N) セクションの 2 つの異なるセクションで構成されています。 T セクションでは、ZIF-67 粒子に結合した残留前駆体が芝生ケージ内の六員環ふるい窓のリガンド反転運動を阻害し、粒子間欠陥を効果的に除去しました。
分離性能の結果から、欠陥のない膜は分離係数 220 を超え、プロピレンとプロパンの優れた分離を達成したことが明らかになりました。周囲条件で 1.5 年間保管した後でも、麻痺した ZIF-67 フレームワークは安定したままであり、その分子ふるい能力は良好でした維持され、約 1,000 時間の長期安定性につながります。膜表面を 3 回厳しいサンディングにかけた後でも、N 装甲セクションはプロピレンのふるい分け性能を維持し、顕著な耐摩耗性を実証しました。
さらに、研究者らは、この革新的な膜構造を、外径わずか 4 mm の高曲率毛細管セラミック基板に「移植」できると提案しました。これは、耐摩耗性、高性能の MOF 膜を低コストで大面積で生産するためのガイドラインを提供し、産業応用の可能性を示しました。
「MOF 膜は分離の課題に対する理想的なソリューションとみなされます。私たちのチームが開発した生物由来のMOF膜は、MOF膜分野の主要な問題に対処し、非常に複雑で要求の厳しい分離プロセスに対するMOF膜の多用途性を実証しています」とヤン教授は述べた。
参考文献: 「効率的なプロピレン/プロパン分離のためのスケール状構造を備えた金属有機フレームワーク膜」Lun Shu、Yuan Peng、Chenyu Zhu、Kun Li、Weishen Yang、2024 年 11 月 30 日、 ネイチャーコミュニケーションズ。
DOI: 10.1038/s41467-024-54898-4
#鎧のようなMOF膜が化学分離の新たな標準を確立