مهندسی گاز ایران

مروری بر نانو جاذب‌های آلی- فلزی و به‌کارگیری آنها در فرآیندهای نم‌زدایی

نوع مقاله : مقاله ترویجی

نویسندگان

1 کارشناسی ارشد، مهندسی شیمی، دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، تهران، ایران

2 گروه مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی مالک اشتر، صندوق پستی1774-15875، تهران، ایران

3 مرکز پژوهش نانوتکنولوژی، پژوهشگاه صنعت نفت، کدپستی 1485733111، تهران، ایران

چکیده

ترکیبات آلی- فلزی، نسل جدیدی از نانو جاذب‌ها با ظرفیت بالای جذب هستند که به‌دلیل ویژگی‌های منحصر به‌فرد مانند تخلخل بسیار بالا (بیش از ۹۰ درصد حجم خالی)، سطح ویژه‌ی بسیار بالا(بیش از m2/g 4000)، روش­های متنوع و ساده‌ی سنتز، قابلیت تنظیم اندازه‌ی منافذ، چگالی کم، زیست سازگاری بالا، پایداری مکانیکی و حرارتی بالا و همچنین مصرف انرژی کم حین فرآیند احیا، توجه محققین را به خود جلب کردهاند. این ساختارها بنا به ویژگی‌های استثنایی ذکر شده، در زمینه‌های بسیار متعددی از جمله جذب سطحی و کاتالیست، کاربرد دارند. از آنجاکه یکی از مهمترین و پرکاربردترین فرآیندهای صنعتی، فرآیند نم‌زدایی و جذب رطوبت در گازها و مایعات است در این مقاله نانوجاذب‌هایی که دارای معیارهای اساسی از جمله ظرفیت جذب بالا و پایداری عملیاتی در برابر آب هستند معرفی و با سایر جاذب‌های تجاری از جمله زئولیت‌ها و سیلیکاژل مقایسه گردیده‌اند. نتایج این تحقیق نشان داد که جاذب‌های آلی- فلزی به‌دلیل پایداری بالا در محیط آبی و خصوصیات سطح و تخلخل مناسب، از ظرفیت جذب بالایی برای نم‌زدایی برخوردار هستند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

A Review on Metal-Organic Framework Nanoadsorbents and their Application in Dewatering Processes

نویسندگان [English]

  • Zeinab Noorpoor 1
  • Shahram Ghanbari Pakdehi 2
  • Alimorad Rashidi 3

1 MSc in Chemical Engineering , Malek Ashtar University of Technology ,Tehran, Iran

2 Chemical Engineering Group , Malek Ashtar University of Technology ,Tehran, Iran

3 Nanotechnology Research Center, Research Institute of Petroleum Industry (RIPI), Tehran, Iran

چکیده [English]

Metal-organic framework nanoadsorbents (MOFs) are a new type of nanoadsorbents with high adsorption capacity. They are interesting for investigators due to their unique characterizations such as very high porosity (more than 90% in pore volume), very high specific surface area (more than 4000 m2/g), different and simple methods for synthesis, adjustable pore diameter, low density, high biocompatibility, high mechanical and thermal stabilities, and finally low energy consumption for adsorbent reduction. Since the dewatering or dehumidification from liquids and gases is used extensively, the adsorbents are introduced and compared with commercial adsorbents such as zeoliths and silicagel.  The results showed that the MOFs have high capacity in dewatering due to high stability in aqueous media, proper surface specifications and porosity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Metal-organic frameworks (MOFs)
  • Dewatering
  • Adsorption capacity
  • Stable frames
  • adsorption
  1. W.John, B.Crittenden, "Adsorption technology and design", Buttre Worth and Heineman,1998.
  2. R. Treybal, "Mass transfer operations", 3 rd Edition, McGraw-Hill, 1983.
  3. R.T. Yang , "Adsorbents: fundamentals and applications" , John Wiley and Sons,2003.
  4. آیدین امیر فلاحی،" بررسی پارامترهای مؤثر بر خالص‌سازی سوخت مایع DMAZ با استفاده از روش جذب سطحی و بهینه‌سازی آن" ، مقطع کارشناسی ارشد مهندسی شیمی،دانشگاه صنعتی مالک اشتر، شهریور 90.
  5. Y.Seo, J.Yoon, J. Lee, Y.Hwang, C. Jun, J. Chang, S. Wuttke, P. Bazin, A. Vimont ,M. Daturi, S. Bourrelly, p. Horcajada,C. Serre, and G. Férey," Energy-efficient dehumidification over hierachically porous metal–organic frameworks as advanced water adsorbents", Adv.Mater., 24, pp. 806–810,2012.
  6. مرسلی،علی، "کاربردهای چارچوب‌های فلز– آلی و معرفی برخی از آن­ها " ، تهران، دانشگاه تربیت مدرس،1393.
  7. M. Kim and S. M. Cohen , " Discovery, development, and functionalization of Zr(IV)-based metal–organic frameworks", CrystEngComm., 14, PP. 4096–4104,2012.
  8. M. Kandiah, M. H. Nilsen, S. Usseglio,U.Olsbye, M. Tilset, C. Larabi, F.Bonino, and K. p. Lillerud," Synthesis and stability of tagged UiO-66 Zr-MOFs",Chem. Mater. , 22,pp. 6632–6640,2010.
  9. G. Ferey,C.Draznieks,C.Serre,F.millange,J.surble,"Metal organic frameworks:aplications from catalysis to gas storage", Science, 309 ,pp. 2040-2042 ,2005.
  10. H. Furukawa, K. E. Cordova, M. O’Keeffe, O. M. Yaghi,"The chemistry and applications of metal-organic frameworks" , Science, 341, PP. 974-984,2013.
  11.  مرسلی،علی، " چارچوب‌های فلز– آلی متخلخل " ،تهران، دانشگاه تربیت مدرس، 1392.
  12. D. J. Tranchemontagne, J. R. Hunt, O. M. Yaghi," Room temperature synthesis of metal-organic frameworks: MOF-5, MOF-74,MOF-177, MOF-199, and IRMOF-0",Elsevier,64,PP.  8553–8557,2008.
  13. Y. Cui, Y. Yue, G. Qian, and B. Chen," Luminescent functional metal-organic  frameworks", Chem. Rev., 112, pp. 1126–1162,2012.
  14. D. Farrusseng, "  Metal−organic frameworks: applications from catalysis to gas storage", Germany, Wiley-VCH: Weinheim, 2011.
  15. H. C. Long, O. M.  Yaghi, "Introduction to metal−organic frameworks", Chem. Rev., 112, PP. 673−674,2012.
  16. A. Fateeva,y. Guo, b. Coasnecd and d. Farrusseng," Water adsorption in MOFs: fundamentals and applications", Chem. Soc. Rev., 43, pp. 5594-5617,2014.
  17. M. Schoenecker,G. Cantwell,  J.Himanshu,J. Christine, Flemming, and K. S. Walton," Effect of water adsorption on retention of structure and surface area of metal−organic frameworks", Ind. Eng. Chem. Res., 51,  pp. 6513−6519,2012.
  18. S.Qiu, Z.Zhu, "Molecular engineering for synthesizing novel structures of metal-organic frameworks with multifunctional properties",Coordination Chemistry Reviews, 253, pp. 2891-2911,2009.
  19. J. Kim, S.H Kim, S.Yang, W.Ahn," Bench-scale preparation of Cu3(BTC)2 by ethanol reflux: Synthesis optimization and adsorption/catalytic applications",Microporous and Mesoporous Materials,161, PP. 48-55,2012.
  20. J.Jiang ,"Recent development of in silico molecular modeling for gas and liquid separations in metal-organic frameworks", Current Opinion in Chemical Engineering, 1, pp 138-144,2012.
  21. S. Jhung, J.Lee, J. Yoon, C. Serre, G. Férey, and J.Chan," Microwave synthesis of chromium terephthalate MIL-101 and its benzene sorption ability" , Adv. Mater. , 19,  PP. 121–124,2007.
  22. W. Zhang, Y. Yang, S.Zai ,X. Chen, "Syntheses, structures and magnetic properties of dinuclear Copper(II)-Lanthanide(III) complexes bridged by 2-hydroxymethyl-1-methylimidazole", Europian Journal of Inorganic Chemistry, 5, pp. 679-685, 2008.
  23. A. Garay, A. Pichon and S. Jame," Solvent-free synthesis of metal complexes", Chem. Soc. Rev., 36, PP. 846–855,2007.
  24. U. Mueller, M. Schubert, F. Teich, H. Puetter, K. Schierle and J. Pastre," Metal–organic frameworks—prospective industrial applications",  J. Mater. Chem., 16,pp.  626–636,2006.
  25. N.Stock and S. Biswas," Synthesis of metal-organic frameworks (MOFs): routes to various MOF topologies, morphologies, and composites", Chem. Rev. 112, pp. 933–969,2012.
  26. U. Mueller, H. Puetter, M. Hesse and H. Wessel, "method for electrochemical production of a crystalline porous metal organic skeleton material",PCT Patent,049,892 ,2005.
  27. J.Choi, W. Son, J. Kim and W. Ahn,"Metal –organic framework MOF-5 prepared by microwave heating:factors to be considered", Micropor. Mesopor. Mater. , 116,PP. 727-731, 2008.
  28. G. Férey, C. M. Drazniekes, C. Serre, F. Millange, J. Dutour, S. Surblé and I. Margiolaki," A chromium terephthalate-based solid with unusually large pore volumes and surface area", Science, 309,pp. 2040-2042, 2005.
  29. B.hattacharjee,C. Chenab and W.Ahn," Chromium terephthalate metal–organic framework MIL-101: synthesis, functionalization,and applications for adsorption and catalysis",RSC Adv., 4,PP. 52500–52525,2014.
  30. T. Borjigin,F. Sun, J. Zhang,K. Cai,H. Rena and G. Zhu," A microporous metal–organic framework with high stability for GC separation of alcohols from water", Chem. Commun. , 48,  PP. 7613–7615,2012.
  31. H. Wu, Q. Gong, D. H. Olson and J. Li ,"Commensurate  adsorption of  hydrocarbons and alcohols in microporous metal organic frameworks",Chem.Rev., 112, pp. 836–868, 2012.
  32. B.Chen, Y. Ji ,M. Xue, F. R. Fronczek, J. Hurtado, U. Mondal, C. Liang, and S. Da," Metal-organic framework with rationally tuned micropores for selective adsorption of Water over methanol",Inorg. Chem., 47, PP. 5543-5545,2008.
  33. M.E. KOSAL, J-H CHOU, S. R. WILSON AND K. SUSLICK, "A functional zeolite analogue assembled from   metalloporphyrins",Nature Materials ,1, pp.118-121  ,2002.
  34. H. Furukawa, F. Gandara,B, Zhang, j. Jiang, W. L. Queen, M. R. Hudson, o. M. Yaghi," Water adsorption in porous metal−organic frameworks and related materials", journal of American Chemical Society,136,pp.  4369−4381,2014.
  35. N. C. Burtch, H. Jasuja, and K. S. Walton," Water stability and adsorption in  metal−organic frameworks", Chem. Rev., 114, pp. 10575−10612,2014.
  36. L. McCusker, F. Liebau, G. Engelhardt," Nomenclature of structural and compositional characteristics of ordered microporous and mesoporous materials with inorganic hosts" , Pure Appl. Chem. , 73,pp. 381-388,2001.
  37.  j.R Li, J. Sculley, and H.C Zhou," Metal-organic frameworks for separations", Chem. Rev., 112, PP. 869–932, 2012.
  38. V.Valtche,S. Mintova, M.Tsapatsis," Ordered porous solids:recent advances and prospects", Elsevier B.V., Oxford, 2009.
  39. D. Britt,Tranchemontagne,O.M. Yaghi,"Metal organic frameworks with high capacity and selectivity  for harmful gases ", Proc. Natl. Acad.Sci. U.S.A., 105,PP. 11623-11627,2008.
  40. R. Banerjee, A. Phan, B. Wang, C. Knobler, H. Furukawa, M.O’Keeffe and O. M. Yaghi," High-throughput synthesis of zeolitic imidazolate frameworks and application to CO2 capture ",Science, 319, pp.  939-943, 2008.
  41. H. Jasuja, N. C. Burtch, Y.Huang, Y. Cai, and K. S. Walton," Kinetic water stability of an Isostructural family of Zinc-Based Pillared metal−organic fFrameworks", Langmuir , 29, PP. 633−642,2013.
  42. V. Bon, I. Senkovska, I. A. Baburin, and S. Kaskel," Zr- and Hf-Based metal−organic frameworks: tracking down the Polymorphism",Cryst. Growth Des., 13, pp. 1231−1237,2013.
  43. H.Jiang, D. Feng,K. WangZ. Gu,Z. Wei,Y. Chen,and H-C. Zhou, " An exceptionally stable, porphyrinic Zr metal−organic framework  exhibiting pH-dependent fluorescence", J. Am. Chem. Soc. , 135,PP. 13934−13938,2013.
  44. D. Feng, W.Chung, Z.Wei, Z.Y. Gu, Jiang, Chen,Darensbourg, J. Zhou, " Construction of ultrastable prophyrin Zr-Metal organic frameworks through linker Elimination", J. Am. Chem. Soc.,135,  pp. 17105-17110,2013.
  45. M. Taylor, R. Vaidhyanathan,S.S. Iremonger, and G. K. Shimizu," Enhancing water stability of metal−organic frameworks via phosphonate monoester linkers", J. Am. Chem. Soc., 134 , pp. 14338−14340,2012.
  46. S. Mintova," Nanoporous materials with enhanced hydrophilicity and high Water sorption capacity ",Microporous and Mesoporous Materials, 114, PP. 1-26, 2008.
  47. P.kusgens,M. Rose,  I.Senkovska,H. Froede,A. Henschel and S.kaskel ,"Characterization of metal- organic frameworks by water adsorption",Microporous Mesoporous Mater.,120, pp. 325-330 ,2009.
  48. G.Akiyama,G. Matsuda, H.Sato, A. Hori ,M. Takata, and Kitagawa,"Effect of functional groups in MIL-101 on water sorption behaviour", Microporous Mesoporous Mater. ,157, pp. 89-93,2012. 
  49. K.A Cychosz and A.Matzger," Water stability of microporous coordination polymers and the adsorptionof Pharmaceuticals from water",Langmuir, 26, PP.  17198–17202,2012.
  50. Y. Li and R. T. Yang," Gas adsorption and storage in metal-organic framework MOF-177", Langmuir, 23, PP. 12937-12944 ,2007.
  51. کریمی، مریم، نیکنام شاهرک، مهدی،"ارزیابی جاذب‌های نانوساختار چارچوب‌های آلی-فلزی (MOFs) در جذب آب (رطوبت): ارائه مدل تجربی "یازدهمین کنگره‌ی مهندسی شیمی ایران، بهمن 1393.
مهندسی گاز ایران
دوره 4، شماره 1 - شماره پیاپی 5
شهریور 1396
صفحه 29-39
  • تاریخ دریافت: 04 اردیبهشت 1401
  • تاریخ پذیرش: 04 اردیبهشت 1401