L'Accord de Paris de 2015 s'est fixé comme objectif de réduire les émissions de CO 2 émissions, un gaz à effet de serre qui a provoqué le réchauffement climatique à des niveaux inférieurs à 2°C de plus qu'avant la révolution industrielle. Afin d'atteindre cet objectif, il est nécessaire de réduire la consommation d'énergie industrielle, dont la moitié est utilisée dans les procédés de séparation pour la purification, produits chimiques de distillation et de séchage. Il faut beaucoup d'énergie et est coûteux pour séparer un mélange de molécules. En d'autres termes, le développement d'une technologie de séparation hautement efficace et économe en énergie est l'un des défis les plus importants auxquels le monde est confronté aujourd'hui, dont CO 2 la séparation et la capture est une priorité élevée pour réduire les gaz à effet de serre.

La méthode de séparation par adsorption pour séparer un mélange de molécules utilise la propriété que des molécules spécifiques sont adsorbées dans un matériau poreux. C'est ainsi que fonctionnent les filtres purificateurs d'eau et le charbon désodorisant dans les réfrigérateurs. Lorsqu'un mélange gazeux est versé d'une extrémité d'une tour d'adsorption remplie d'un matériau poreux (adsorbant), les molécules qui interagissent fortement avec l'adsorbant sont capturées dans les pores. Certaines molécules ayant une faible interaction avec l'adsorbant sont également adsorbées dans les pores, mais la plupart traversent et s'écoulent de la tour d'adsorption. Les molécules introduites dans les pores sont récupérées ou désorbées par chauffage ou dépressurisation du contenu de la tour d'adsorption. Afin d'adsorber sélectivement des molécules dans un adsorbant, une interaction plus forte est nécessaire, mais l'énergie nécessaire à la désorption augmente en conséquence. La clé pour améliorer considérablement l'efficacité de séparation par adsorption est de trouver des adsorbants avec certaines propriétés contradictoires qui peuvent adsorber sélectivement de grandes quantités de molécules et les désorber facilement.

Les procédés d'adsorption modulée en pression et vide (PVSA) et d'adsorption modulée en température (TSA), qui sont toutes deux des méthodes de séparation de gaz utilisant des matériaux poreux, peut être plus économe en énergie que la distillation, ce qui nécessite une ébullition et une condensation sélectives. Cependant, PVSA et TSA ne sont pas sans limites. Il est difficile d'obtenir une séparation à haut débit avec ces techniques car la perte de pression est due à l'élargissement nécessaire du système ainsi qu'au broyage des adsorbants au bas de la colonne d'adsorption. Les efforts précédents pour résoudre ces problèmes ont causé d'autres problèmes tels que la chaleur générée par adsorption, ce qui se traduit par une diminution de la capacité d'adsorption, il existe donc un besoin de trouver un nouveau matériau d'adsorption qui présente une grande capacité de charge, haute sélectivité et chaleur d'adsorption minimale, qui sont en fait des caractéristiques en conflit avec des matériaux connus.

Par conséquent, l'accent de cette recherche était sur les « adsorbants de type grille ». La plus grande caractéristique de ce matériau est qu'il a une structure flexible. Les chercheurs ont travaillé avec ELM-11, une ossature métal-organique flexible (MOF), qui est un matériau poreux avec des propriétés "d'ouverture de porte" et de "fermeture de porte" présentées à des pressions de gaz spécifiques. Les pores de l'ELM-11 sont fermés et n'adsorbent pas le CO 2 lorsque la concentration de CO 2 contenu dans le mélange gazeux est faible, mais augmente rapidement lorsque le CO 2 la concentration dépasse une certaine valeur seuil, et ouvre les pores pour capturer le CO 2 molécules. Étant donné que le comportement d'ouverture et de fermeture des pores est comme une porte, c'est ce qu'on appelle un adsorbant de type grille. ELM-11 déforme sa structure pour encapsuler le CO 2 molécules, et présente donc un taux de CO élevé 2 sélectivité. Par ailleurs, ELM-11 contracte sa structure et libère tout le CO adsorbé 2 molécules lorsque le CO 2 concentration dans le mélange gazeux tombe en dessous d'une valeur seuil. En d'autres termes, ELM-11 a des propriétés qui conviennent parfaitement au CO 2 adsorption et séparation. Il adsorbe sélectivement le CO 2 et désorbe facilement le CO 2 .

Pour l'application dans le monde réel de la séparation par adsorption du CO 2 contenu dans les gaz d'échappement, une grande quantité de gaz doit être traitée à grande vitesse. Le problème est la génération de chaleur associée au CO 2 adsorption. Dans les adsorbants "durs" traditionnels, la chaleur d'adsorption élève la température, résultant en une réduction du CO 2 adsorption et CO réduit 2 sélectivité. ELM-11, qui a une structure flexible, se dilate lorsqu'il absorbe du CO 2 molécules. Le groupe de recherche s'est concentré sur la possibilité que l'expansion de l'ELM-11 puisse générer de la chaleur froide et supprimer efficacement l'élévation de température due au CO 2 adsorption.

D'abord, ils ont mené une expérience d'adsorption de gaz sur ELM-11 et ont mené diverses études informatiques pour quantifier le CO 2 capacité de séparation de l'ELM-11. Ils ont comparé les données de performance avec HKUST-1, un adsorbant conventionnel considéré comme le plus prometteur pour séparer le CH4et le CO 2 mélanges de gaz. Les données ont montré que ELM-11 a un CO 2 sélectivité 9,7 fois celle de HKUST-1. Le CO 2 la quantité récupérée par poids d'adsorbant est de 2,1 fois celle de HKUST-1, qui n'a pas de capacité de gestion thermique intrinsèque. L'ELM-11 s'est avéré extrêmement approprié pour les systèmes de séparation par adsorption à grande vitesse.

Les chercheurs ont conçu un système de séparation par adsorption à grande vitesse composé de tours d'adsorption à deux étages, un emballé avec HKUST-1. Lorsque le CO 2 la concentration contenue dans le mélange gazeux dépasse une certaine valeur seuil, ELM-11 se dilate rapidement et ouvre les pores, adsorbant le CO 2 molécules. Cela signifie que lorsque le CO 2 la concentration dans le gaz tombe au seuil en raison du CO 2 adsorption sur ELM-11, le CO restant 2 n'est pas du tout adsorbé et s'écoule avec du CH4, ce qui signifie que le gaz CH4 de haute pureté n'est pas obtenu. Par conséquent, pour éviter ce problème, les chercheurs ont installé une petite colonne d'adsorption remplie de HKUST-1 qui présente d'excellentes caractéristiques d'adsorption pour le CO à faible concentration 2 gaz, dans la dernière étape de la colonne d'adsorption remplie d'ELM-11. Ils ont effectué une mesure révolutionnaire pour un gaz mixte de CH4 et de CO 2 en utilisant une petite colonne d'adsorption à deux étages, et a pu confirmer que du gaz CH4 de haute pureté avait été obtenu.

Le système de tour d'adsorption à deux étages permet de réduire le volume total de la tour, réduit la quantité d'adsorbant utilisé, et réduit l'énergie consommée. A première vue, le système est basé sur une idée simple, mais il a été possible de réduire considérablement la taille du système de cette manière en concevant la tour d'adsorption du premier étage de sorte que les caractéristiques de l'ELM-11 puissent être pleinement exposées. Le système d'hybridation utilisant les caractéristiques de ELM-11 et HKUST-1 a fonctionné de manière extrêmement efficace.

Les chercheurs devaient clarifier trois points pour voir si ELM-11 possédait les qualités nécessaires pour un processus de séparation à haut débit réel. D'abord, il était nécessaire que la réponse du framework hôte pour l'ouverture de la porte soit très rapide. Deuxièmement, les propriétés de séparation doivent fonctionner pour des conditions non isothermes, ce qui n'a pas été rapporté auparavant à la connaissance des chercheurs. Troisièmement, le phénomène de "glissement" provoqué par une diminution de la pression partielle du gaz en dessous de la pression d'ouverture de la vanne, ce qui rend le MOF flexible incapable d'adsorber les molécules à traiter. ELM-11 a montré que les chercheurs sont capables de surmonter ces trois problèmes, le problème de "glissement" peut être géré avec la tour d'adsorption à deux étages.

En outre, ce système peut être appliqué au traitement des gaz d'échappement du CO 2 sources d'émissions telles que les centrales thermiques. Afin de mettre en pratique ce système d'adsorption/séparation à grande vitesse qui utilise un adsorbant de type grille, la gêne à l'ouverture du portail due à la pastillage des MOF souples, et la chute de pression due à l'expansion du volume des pastilles doit être abordée. L'équipe a déjà commencé à s'attaquer à ces problèmes.

Les réalisations de cette recherche actuelle ont ouvert les portes d'une nouvelle ère dans la séparation des gaz. L'auteur correspondant Hideki Tanaka de l'Université de Shinshu déclare que, "l'étude a mis 3 ans à être publiée, ce dont nous sommes très reconnaissants car les multiples commentaires des examinateurs étaient très perspicaces et les réécritures ultérieures ont rendu l'étude plus innovante et meilleure, qui a finalement conduit à la publication de l'article dans Communication Nature . Je suis très heureux que le travail acharné du premier auteur Shotaro Hiraide de l'Université de Kyoto ait enfin été récompensé."