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Robust metal-organic frameworks for dry and wet biogas upgrading

Résumé

Biofuels are considered as viable, sustainable and renewable alternatives to fossil fuels. One amongst them is biomethane which has emerged as one of the valuable contributors in facilitating the essential transition towards green energy sources. Industrially, anaerobic digestion of biomass results in the production of crude biogas that comprises mainly of methane (CH4) and other components like carbon dioxide (CO2) and water (H2O). Biogas is saturated in water vapour which must be removed to ensure the operational stability and safety of the technology systems that handles wet biogas and employs the end-product biomethane. Through a series of separation processes, the biogas is cleaned (drying) and upgraded (CO2/CH4 separation) to biomethane. The adsorptive separation technology with nanoporous materials for biogas upgrading has become progressively competitive due to their meritorious features. In particular, metal-organic frameworks (MOFs) have shown a tremendous potential in upgrading biogas under dry conditions. However, their affinity for water promotes competitive co-adsorption, and this, coupled with their relatively low hydrolytic stability affects their upgrading performance negatively. This fact requires the complete removal of moisture before the adsorptive based gas separation upgrading process can be carried out. A similar situation applies for highly hydrophilic zeolite adsorptive systems. In this work, we present two permanently porous MOFs made of aluminium metal ions (Al(III)) and tetracarboxylate ligands with strong CO2 binding pockets comprising of two aromatic rings which are 7 angstrom apart. Both MOFs are robust, and adsorption isotherms revealed that they are porous to CO2 and CH4 at 303 K with isosteric heat of adsorption of -25 to -40 and -13 to -16 kJ/mol, respectively. Interestingly, these materials are found to be non-porous to water at low relative humidity as shown by water vapour isotherms. Inspired by their single component sorption behaviours, we demonstrate that their biogas upgrading performance is not affected regardless of the high water vapour content (4 vol% and 85% RH) in the feed gas of the multicomponent fixed bed breakthrough experiments. This is due to the lack of competitive co-adsorption of CO2 and H2O within the hydrophobic CO2 binding pockets. This makes both MOFs presented in this work as industrially relevant candidates for biogas upgrading application which can withstand residual moisture of dried biogas as well as the momentary breakthroughs of wet biogas. (C) 2021 Elsevier Ltd. All rights reserved.

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Méthanisation
vignette|upright=1.7|Digesteurs anaérobies : Tel-Aviv (Israël). La méthanisation est un processus biologique de dégradation des matières organiques. Elle est appelée aussi biométhanisation ou digestion anaérobie. La digestion anaérobie est le processus naturel biologique de dégradation de la matière organique en absence d'oxygène (anaérobie) ; les polluants organiques sont convertis par des micro-organismes anaérobies en un produit gazeux (dont le méthane) et une boue résiduelle, le digestat, qui ont un potentiel de réutilisation.
Biogaz
vignette|upright=1.4|Unité de stockage de l'usine de biogaz de Güssing (Burgenland, Autriche). vignette|upright=1.4|Vue aérienne d'une installation mixte de production d'énergie photovoltaïque et de biogaz. vignette|upright=1.4|Stockage des digestats (utilisables comme amendements agricoles) de l'unité production de biométhane (à partir de biodéchets provenant préférentiellement de ménages berlinois) en fonctionnement depuis 2013. Le biogaz est le gaz produit par fermentation de matières organiques.
Réseau métallo-organique
vignette|Exemple de MOF avec différents ligands organiques. Les réseaux métallo-organiques (MOF, pour l'anglais metal–organic framework) sont des solides poreux hybrides cristallins constitués d'ions métalliques ou de clusters coordonnés à des ligands organiques pour former des structures en une, deux ou trois dimensions. Les MOF présentent notamment une surface spécifique très élevée du fait de leur structure nanoporeuse. Les MOF sont nommés selon leur lieu de découverte suivi d’un numéro d’incrémentation, par exemple MIL-101 pour Matériaux Institut Lavoisier , ou UiO-66.
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