Metal‐Organic Framework/α‐Alumina Composite with Novel Geometry for Enhanced Adsorptive Separation

‐‐‐ Chenghong WANG (Chris)

Supervisor: Prof. J. Paul Chen & Prof. Kang LiJoint NUS NGS‐Imperial College London PhD Programme

September 2016

1

2

• Introduction on MOF/alumina composite

• Adsorptive separation study– Arsenic contaminated water remediation

• Discussion & Future work

“Wang, C. et al., Chem. Commun., 2016, 52, 8869‐8872”

Overview

Introduction (materials) Performance Study Discussion

3

• Industrial process for the purification of liquid or gas mixtures.

• Fixed & fluidized beds

• Drawbacks including: – 1) large pressure drop– 2) channelling of fluid– 3) break‐up of adsorbent pellets

• Novel concept and design!

Adsorptive Separation

Introduction (materials) Performance Study Discussion

4

• Definition:– “Inorganic metal ions or metal containing clusters” +“organic ligands”

• Unique features of this porous material:– large surface area & great porosity– customizable chemical functionalities– relatively mild synthesis conditions

• Applications:– adsorption, separation, sensing, catalysis, etc.

Metal Organic Framework (MOF)

Introduction (materials) Performance Study Discussion

Zr‐MOF UiO‐66:Zirconium oxide unit + BDC linker

5

• Hydro‐stable, even under acidic or some alkaline conditions

• UiO‐66 for aquatic arsenic adsorption (Scientific Reports, 16613, 2015)– Wide pH working range (1‐10)– Great thermodynamic capacity (303 mg/g)– Fast kinetic behaviour

• To be industrially applied => Binder problem?

UiO‐66 Adsorbent

Introduction (materials) Performance Study Discussion

6

α‐Alumina

Introduction (materials) Performance Study Discussion

• Abundant supply in raw material & great resistance to various conditions

• Hollow fibre structure with novel geometry as advanced matrix– micro‐channels serving as reaction chamber– thin barrier layer serving as sieve

7

MOF/α‐Alumina Composite

Introduction (materials) Performance Study Discussion

Vacuum filtration method

Size‐exclusion effect

MOF/α‐alumina Composite for Arsenic Contaminated Water Remediation

8

Arsenic pollutant removal from water•Arsenic contamination is a global threat due to its toxicity and carcinogenicity•Arsenic concentration in most contaminated water ranges from 0.1 – 1 ppm.•1 ppm as the feed concentration

Introduction (materials) Performance Study Discussion

MOF/α‐alumina Composite for Arsenic Contaminated Water Remediation

9Introduction (materials) Performance Study Discussion

Comparison Study by Packed Column Beds

10Introduction (materials) Performance Study Discussion

Inferior performance• Random packing & non‐ideal flow• Even worse when limited amount of adsorbent 

were used

MOF/α‐alumina Composite for Arsenic Contaminated Water Remediation

11

Alternative concept for adsorptive separation•Micro‐channels

– adsorbent distribution– transport network (reduced mass transfer resistance)– more ideal flow

•Barrier layer– separation for suspended solids & micro‐organisms

•Binder problem solved•Module assembled

Introduction (materials) Performance Study Discussion

MOF/α‐alumina Composite for Arsenic Contaminated Water Remediation

12

Alternative concept for adsorptive separation•Micro‐channels

– adsorbent distribution– transport network (reduced mass transfer resistance)– more ideal flow

•Barrier layer– separation for suspended solids & micro‐organisms

•Binder problem solved•Module assembled

Introduction (materials) Performance Study Discussion

Revisit Key Points• MOF/α‐alumina composite with novel geometry was developed for enhanced 

adsorptive separation

• The composite is able to produce potable water recovery from arsenic contaminated water

• To achieve a similar performance, the packed column bed required 8X amount of active UiO‐66 adsorbents

13Introduction (materials) Performance Study Discussion

• More functional composites can be formed, based on the application purpose and the functionality of adsorbents

• Gas chromatography separation,• Catalytic reaction,• etc.

14Introduction (materials) Performance Study Discussion

Future Work

References & Acknowledgement

• Pictures used are adopted from Google Images without financial purposes.

• I. Ali, Chem Rev, 2012, 112, 5073.• H. Furukawa, K. E. Cordova, M. O'Keeffe and O. M. Yaghi, Science, 2013, 

341, 1230444.• H. C. Zhou and S. Kitagawa, Chem Soc Rev, 2014, 43, 5415.• N. A. Khan, Z. Hasan and S. H. Jhung, J Hazard Mater, 2013, 244‐245, 444.• J. H. Cavka, S. Jakobsen, U. Olsbye, N. Guillou, C. Lamberti, S. Bordiga and 

K. P. Lillerud, J Am Chem Soc, 2008, 130, 13850.• C. Wang, X. Liu, J. P. Chen and K. Li, Sci Rep, 2015, 5, 16613.• J. He, T. S. Siah and J. Paul Chen, Water Res., 2014, 56, 88.• M. Lee, B. Wang and K. Li, J. Membr. Sci., 2016, 503, 48.• X. Liu, N. K. Demir, Z. Wu and K. Li, J Am Chem Soc, 2015, 137, 6999.• J. He, T. Matsuura and J. P. Chen, J. Membr. Sci., 2014, 452, 433.• K. Li, Ceramic membranes for separation and reaction, Wiley, 2007.

15Introduction (materials) Performance Study Discussion

Thanksfor Listening !!

16