エネルギー効率の高い分離代替：炭化水素分離のための金属-有機フレームワークと膜

Energy-efficient separation alternatives: metal-organic frameworks and membranes for hydrocarbon separation.

• Lifeng Yang
• Siheng Qian
• Xiaobing Wang
• Xili Cui
• Banglin Chen
• Huabin Xing

抄録

炭化水素の分離は、最も重要で複雑な産業分離プロセスの一つであり、多用途なバルク化学品を提供し、国家経済を支える重要なサポートをしています。極低温蒸留や溶媒抽出などの従来の分離技術は、エネルギーを大量に消費し、深刻な環境ストレスの原因となっています。さらに、産業や技術の成長と製品に対する要求（純度など）の高まりは、従来の分離方法では満たすことのできない課題につながっています。吸着分離と膜分離は、現在のエネルギー集約的な状況を一変させ、新たな要求を満たすためのエネルギー効率の高い代替手段として認識されている。本論文では、炭化水素分離のための金属-有機金属フレームワーク(MOF)と関連膜(連続MOF膜や混合膜など)の最近の進歩を紹介する。本レビューでは、基本的な分離メカニズム(エンタルピー駆動熱力学平衡,分子ふるい分け,分子サイズに基づく速度論的分離,複合メカニズムなど)と採用された戦略(欠陥・微細構造制御,膜厚,界面適合性など)がトレードオフ(透過性/選択性,容量/選択性など)の解消や新しい材料や処理技術の設計に貢献していることを論じています。さらに、このレビューでは、学術的なものから最終的な工業的な実装に至るまでに存在する潜在的な障壁と将来の開発の見通しについてもまとめています。

Hydrocarbon separation is one of the most critically important and complex industrial separation processes, offering versatile bulk chemicals and vital support to the national economy. Traditional separation technologies, such as cryogenic distillation and solvent extraction, are energy-intensive and cause serious environmental stress. Moreover, the growth of industries and technologies and the greater requirements for products (e.g., purity) lead to challenges that cannot be met using traditional separation methods. Adsorptive and membrane-based separations are recognized as energy-efficient alternatives by which to revolutionize the current energy-intensive conditions and satisfy the new demands. This critical review presents the recent progress in metal-organic frameworks (MOFs) and related membranes (e.g., continuous MOF membranes and mixed-matrix membranes) for hydrocarbon separation. The contributions of the underlying separation mechanisms (e.g., enthalpy-driven thermodynamic equilibrium, molecular sieving, kinetic separation based on molecular size, and combined mechanisms) and the adopted strategies (e.g., defect and microstructure control, membrane thickness and interfacial compatibility) to the breaking of trade-off (e.g., permeability/selectivity and capacity/selectivity) and the design of novel materials and processing technologies are discussed. Moreover, this review also summarizes the potential barriers that exist from the academic to the ultimate industrial implementations and the prospects of future development.