Air pollution control with metal-organic frameworks (MOFs)

Abstract

Air pollution causes approximately 7 million deaths annually. The most significant pollutants are NO₂ and SO₂ due to their abundance and effect on human health as well as the environment. Approximately 98% of SO₂ and 85% of NO₂ can be removed with the methods currently in use. Since even the trace amounts of these pollutants can affect the human health and the environment, more efficient methods are needed. One option is to use metal-organic frameworks as adsorbents. They have the potential for very high adsorption capacity, selectivity, and stability for multiple adsorption/desorption cycles due to their highly porous structure and tuneable properties. The drawbacks include the sensitivity for moisture and corrosive gases as well as only a few are possible to produce in the industrial scale.

NO₂ and SO₂ are difficult gases to adsorb due to their corrosive nature and tendency to break the bonds in MOFs. NO₂ can be removed with MOFs such as UiO-66-NH₂, MFM-300(Al), Cu-BTC and Mg-MOF-74. For SO₂ removal there are more MOF options found, such as MIL-101(Cr)-4F(1%), MFM-170, SIFSIX-1-Cu, MFM-300(Al) and MIL-160. The only known MOF suitable for removing both NO₂ and SO₂ efficiently is MFM-300(Al). It remains its stability and its high adsorption capacity and selectivity over CO₂ and N₂ that are abundant in flue gases.

In the experimental part MFM-300(Al) is synthetised with microwave reactor and characterised with BET, SEM and XRD. SO₂ and NO₂ removal is modelled using COMSOL Multiphysics 6.0. Simulations are made in three cases: for a gas containing SO₂, NO₂ and both SO₂ and NO₂ with N₂.

Ilmansaasteet aiheuttavat noin seitsemän miljoonaa kuolemaa vuosittain. Merkittävimmät ilmansaasteet ovat NO₂ ja SO₂ niiden korkean pitoisuuden ja ympäristöön kohdistuvien vaikutusten vuoksi. Noin 98 % SO₂:sta ja 85 % NO₂:sta voidaan poistaa nykyisillä menetelmillä. Koska vähäisetkin määrät näitä epäpuhtauksia voivat vaikuttaa ihmisten terveyteen ja ympäristöön, tarvitaan tehokkaampia menetelmiä. Yksi vaihtoehtoinen menetelmä on käyttää metalliorgaanisia rakenteita (MOF) adsorbentteina. Niillä on potentiaalia erittäin korkeaan adsorptiokapasiteettiin, selektiivisyyteen ja stabiilisuuteen useissa adsorptio/desorptiojaksoissa niiden erittäin huokoisen rakenteen ja säädettävien ominaisuuksien ansiosta. Haittoja ovat herkkyys kosteudelle ja syövyttäville kaasuille, sekä se, että suurin osa on haastavaa valmistaa teollisessa mittakaavassa.

NO₂ ja SO₂ ovat vaikeasti adsorboitavia kaasuja, koska ne ovat luonteeltaan syövyttäviä ja rikkovat sidoksia MOF:issa. NO₂ voidaan adsorboida muun muassa seuraavilla MOF:lla: UiO-66-NH₂, MFM-300(Al), CU-BTC ja Mg-MOF-74. SO₂ adsorboimiseen löytyy enemmän vaihtoehtoja, kuten MIL-101-(Cr)-4F(1%), MFM-170, SIXSIF-1-Cu, MFM-300(Al) ja MIL-160. Ainoa tunnettu MOF, joka sopii sekä NO₂:n että SO₂:n poistamiseen tehokkaasti, on MFM-300(Al). Se säilyy stabiilina ja sillä on korkea adsorptiokyky ja selektiivisyys typpi- ja rikkioksideille CO₂:een ja N₂:een nähden, joita on runsaasti savukaasuissa.

Kokeellisessa osassa MFM-300(Al) valmistetaan mikroaaltoreaktorilla ja karakterisoidaan BET:llä, SEM:llä ja XRD:llä. Rikkidioksidin ja typpidioksidin adsorptio on mallinnettu COMSOL Multiphysics 6.0:lla. Simulaatioita tehdään kolmessa tapauksessa: savukaasulle, joka sisältää SO₂:ta, NO₂:ta ja kaasulle jossa on SO₂:ta, NO₂:ta ja N₂:ta.