Disseny i optimització de membranes compòsit amb xarxes metal•loorgàniques per a nanofiltració i separacions de gasos

Abstract

Projecte de recerca elaborat a partir d’una estada a la Katholieke Universiteit Leuven, Belgium, entre 2007 i 2009. Aquest projecte descriu la síntesi i aplicació de nous tipus de membranes compòsit basades en xarxes metal•loorgàniques (MOFs). Aquestes es van seleccionar tenint en compte les seves propietats estructurals per tal de discriminar les espècies a separar en funció de la seva mida molecular. Les membranes obtingudes s'han aplicat satisfactòriament tant en separacions líquides, concretament en nanofiltració resistent a dissolvents (SRNF), i en separació de parells de gasos com CO2/CH4, CO2/N2 i H2/CO2. Els resultats obtinguts posen de manifest l'obtenció de membranes sense defectes i amb rendiments prometedors, en la majoria dels casos, amb permeabilitats i selectivitats superiors a membranes purament polimèriques. Tanmateix s'ha desenvolupat un nou equipament d'alt rendiment (HT) per a separacions de gasos que inclou un mòdul que permet realitzar 16 experiments simultàniament. Els resultats obtinguts amb el nou equip són comparables amb els obtinguts amb mòduls convencionals, i alhora presenten una millor reproduïbilitat. Finalment, s'ha establert un nou mètode per a obtenir membranes per a SRNF, que han estat aplicades en processos de separació de catalitzadors homogenis en dissolvents polars apròtics i s'han caracteritzat emprant la tècnica d'espectroscòpia d'annihilació de positrons, que ha permès establir per primer cop una relació entre les propietats estructurals de les membranes a nivell molecular i el seu rendiment en les aplicacions anteriors.

Report for the scientific sojourn at the Katholieke Universiteit Leuven, Belgium, from 2007 to 2009. This project describes the synthesis and application of new type of mixed matrix membranes mostly based on metal organic frameworks (MOFs). The MOF selection was carried out considering their structural features to achieve the separation of the molecules as a function of their size. The obtained membranes have been successfully applied in liquid separations, in particular Solvent Resistant Nanofiltration (SRNF), and also in gas separations of the following gas pairs: CO2/CH4, CO2/N2 and H2/CO2. The obtained results in both cases confirm the preparation of defect-free membranes with promising performances, in most of the cases, superior permeabilities and selectivities than pure polymeric membranes. Moreover, a new High Throughput (HT) set-up for gas separations has been developed, including a membrane module that allows 16 simultaneous experiments. Results are in agreement with the obtained with conventional single cells and also present a better reproducibility. Finally a new cross-linking method to obtain SRNF membranes has been established. These SRNF membranes have been applied to separate homogeneous catalysts in polar aprotic solvents and have been characterized with positron Annihilation Spectroscopy, which has permitted for first time to link the structural properties of the membranes at the molecular level with their performance in the latter applications.