Projekt

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Flexible Metal-Organic Framework/Polymer Composite Membrane: Highly Efficient Gas Separation

Gesuchsteller/in Hess Samuel
Nummer 180264
Förderungsinstrument Bridge - Proof of Concept
Forschungseinrichtung Institut für Chemie- und Bioingenieurwissenschaften ETH Zürich
Hochschule ETH Zürich - ETHZ
Hauptdisziplin Materialwissenschaften
Beginn/Ende 01.04.2018 - 31.03.2019
Bewilligter Betrag 129'989.00
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Keywords (9)

olefin/paraffin separation; hydrogen purification; gas separation; process energy saving ; cleantech; biogas upgrading; MOF-membrane; metal-organic framework; MOF

Lay Summary (Deutsch)

Lead
Insgesamt werden über 10% der weltweit produzierten Energie für Separationsprozesse aufgewendet. Diese Separationsprozesse dienen unter anderem der Aufreinigung von Gasen. Propylen zum Beispiel ist der Grundbaustein des Kunststoffes Polypropylen, welcher sich etwa in PET-Flaschendeckeln finden lässt. Für die Aufreinigung des aus Rohöl gewonnene Propylens, werden bis zu 100 Meter hohen Türme und etwa ein Promille der weltweit verbrauchten Energie benötigt. Separationsprozesse dieser Art sind so energieaufwendig, dass wertvolle Ressourcen oftmals einfach verbrannt, statt rezyklieren werden. Deshalb sind viele Forscher und Entwicklungsabteilungen der Industrie auf der Suche nach neuen, effizienteren Separationslösungen. Wir wollen eine neuartige Membrantechnologies aufskalieren, welche möglicherweise viele dieser Probleme lösen kann.
Lay summary
An der ETH Zürich haben wir eine neuartige Plattform Technologie entwickelt, welche die Snythese von hocheffizienten Separations-Membranen ermöglicht. Dabei werden poröse Kristalle, sogenannte metal-organic frameworks (MOFs), welche nur wenige hundert Nanometer gross sind, in Polymermembranen integriert. Die Poren dieser Kristalle sind so klein, dass sie Gase sieben können, d.h. kleine Moleküle passieren die Kristalle schneller als grosse. Ziel dises Projektes ist die Weiterentwicklung und das Skalieren unserer Plattformtechnologie, d.h. die Herstellung von grösseren Membranflächen. Konkret sollen Ende des Projektes erste Membran-Prototypen bei bereits identifizierten Kunden für Propylen/Propan Separation und Wasserstoff Aufreinigung getestet werden können. Verläuft die Entwicklung der MOF-Membran-Plattform nach Plan, können bereits Ende dieses Projektes erste mögliche Kunden unsere MOF-Membranen testen. Können diese Membranen danach erfolgreich in industrielle Prozesse inegriert werden, lässt sich deren Prozessenergie bis zu einem Vielfachen reduzieren. Dabei lassen sich nicht nur Milliarden Schweizer Franken an Kosten sparen, sondern auch beträchtliche Mengen an Energie und CO2 Ausstoss.
Direktlink auf Lay Summary Letzte Aktualisierung: 26.02.2018

Verantw. Gesuchsteller/in und weitere Gesuchstellende

Mitarbeitende

Abstract

Today, 10-15 % of the world’s total energy consumption is caused by separation processes. One of the most energy-intense process is the separation of olefins from paraffins, such as propylene from propane. Cryogenic distillation, currently employed for olefin/paraffin separation, is so energy intensive that valuable gas streams are burned instead of recycled to meet economic profitability. Therefore, there is an enormous demand for new, more efficient separation technology. Microporous crystalline materials (i.e., metal-organic frameworks (MOFs), zeolites) possess small intrinsic pores and, therefore, can be used to sieve gas molecules of different size. Due to these materials’ high intrinsic flux rates and selectivity values, they are the desired candidates for many separation applications. For the last few decades, tremendous efforts have been made to integrate microporous materials into composite membranes and make their excellent properties available to industrial processes. However, neither MOF nor zeolite composite membranes have found broad commercial application so far. Major limitations are expensive inorganic support-materials or limited scalability of the synthesis procedure. A technology platform, which enables durable, selective and highly permeable membranes, has the potential for a massive disruptive impact on the gas-separation market. Herein, we present a novel platform technology that enables the integration of MOFs into economically attractive polymeric support membranes. The significant difference, compared to conventional MOF membrane synthesis approaches, is that the MOF crystals are specifically grown within the pores of the polymeric membranes, avoiding the formation of rigid MOF layers. This strategy allows to partially maintain the polymer’s intrinsic mechanical flexibility, which is required for scale-up and integrating MOF-membranes into industrially applied spiral-wound membrane modules. Direct contact with potential key partners, customers and CTI coaching enabled the development of strategies for facilitated market entry. We are highly motivated to take this project a step further by scaling-up the membrane fabrication process. During the “Bridge Proof of Concept” we plan to finalize our MOF-membrane platform technology and develop a functional prototype, which can be tested by already identified industrial partners. Additionally, we are aiming to found a start-up company shortly and to bring our MOF-membranes to the market.
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