Nyt materiale kunne gøre plastikfremstilling mere energieffektiv

Et innovativt filtreringsmateriale kan snart reducere de miljømæssige omkostninger ved fremstilling af plast. Skabt af et team, der inkluderer forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST), forskuddet kan udvinde nøgleingrediensen i den mest almindelige form for plastik fra en blanding af andre kemikalier – samtidig med at det forbruger langt mindre energi end normalt.

Materialet er en metal-organisk ramme (MOF), en klasse af stoffer, der gentagne gange har demonstreret et talent for at adskille individuelle kulbrinter fra suppen af ​​organiske molekyler produceret ved olieraffineringsprocesser. MOF'er har enorm værdi for plast- og olieindustrien på grund af denne evne, hvilket kunne give producenterne mulighed for at udføre disse separationer langt billigere end standard olieraffineringsteknikker.

Dette løfte har gjort MOF'er til genstand for intense studier på NIST og andre steder, fører til MOF'er, der kan adskille forskellige oktaner af benzin og fremskynde komplekse kemiske reaktioner. Et stort mål har vist sig at være uhåndgribeligt, dog:en industrielt foretrukken metode til at vride ethylen ud - det molekyle, der er nødvendigt for at skabe polyethylen, plastikken, der bruges til at lave indkøbsposer og andre hverdagscontainere.

Imidlertid, i dagens udgave af tidsskriftet Videnskab , forskerholdet afslører, at en modifikation af et velundersøgt MOF gør det i stand til at adskille renset ethylen fra en blanding med ethan. Holdets oprettelse – bygget på University of Texas i San Antonio (UTSA) og Kinas Taiyuan University of Technology og studeret ved NIST Center for Neutron Research (NCNR) – repræsenterer et stort skridt fremad for feltet.

At lave plastik kræver masser af energi. polyethylen, den mest almindelige type plast, er bygget af ethylen, et af de mange kulbrintemolekyler, der findes i råolieraffinering. Ethylenet skal være højt oprenset for at fremstillingsprocessen kan fungere, men den nuværende industrielle teknologi til at adskille ethylen fra alle de andre kulbrinter er en kølig, men højenergiproces, der køler råoljen ned til mere end 100 grader under nul celsius.

Ethylen og ethan udgør hovedparten af ​​kulbrinterne i blandingen, og at adskille disse to er langt det mest energikrævende trin. At finde en alternativ adskillelsesmetode ville reducere den nødvendige energi til at fremstille de 170 millioner tons ethylen, der fremstilles på verdensplan hvert år.

Forskere har ledt efter en sådan alternativ metode i årevis, og MOF'er virker lovende. På et mikroskopisk plan, de ligner lidt en halvbygget skyskraber af dragere og ingen vægge. Bærerne har overflader, som visse kulbrintemolekyler vil klæbe fast til, så at hælde en blanding af to kulbrinter gennem den højre MOF kan trække en slags molekyle ud af blandingen, lade det andet kulbrinte komme frem i ren form.

Tricket er at skabe en MOF, der tillader ethylen at passere igennem. For plastindustrien, dette har været det knibe punkt.

"Det er meget svært at gøre, " sagde Wei Zhou, en videnskabsmand ved NCNR. "De fleste MOF'er, der er blevet undersøgt, griber fat i ethylen frem for ethan. Nogle få af dem har endda vist fremragende adskillelse

ydeevne, ved selektivt at adsorbere ethylenet. Men fra et industrielt perspektiv vil du foretrække at gøre det modsatte, hvis det er muligt. Du vil adsorbere ethanbiproduktet og lade ethylenet passere igennem."

Forskerholdet brugte år på at prøve at løse problemet. I 2012 et andet forskerhold, der arbejdede ved NCNR, fandt ud af, at en særlig ramme kaldet MOF-74 var god til at adskille en række kulbrinter, inklusive ethylen. Det virkede som et godt udgangspunkt, og teammedlemmerne gennemsøgte den videnskabelige litteratur for at få yderligere inspiration. En idé hentet fra biokemi sendte dem endelig i den rigtige retning.

"Et stort emne inden for kemi er at finde måder at bryde den stærke binding, der dannes mellem kulstof og brint, " sagde UTSA-professor Banglin Chen, der ledede holdet. "Hvis du gør det, kan du skabe en masse værdifulde nye materialer. Vi fandt tidligere forskning, der viste, at forbindelser, der indeholder jernperoxid, kunne bryde den binding."

Holdet begrundede, at for at bryde bindingen i et kulbrintemolekyle, forbindelsen ville være nødt til at tiltrække molekylet i første omgang. Da de modificerede MOF-74's vægge til at indeholde en struktur svarende til forbindelsen, det viste sig, at det molekyle, det tiltrak fra deres blanding, var ethan.

Holdet bragte MOF til NCNR for at udforske dens atomare struktur. Ved at bruge en teknik kaldet neutrondiffraktion, de fastslog, hvilken del af MOF's overflade der tiltrækker ethan — en vigtig information til at forklare, hvorfor deres innovation lykkedes, hvor andre bestræbelser er kommet til kort.

"Uden den grundlæggende forståelse af mekanismen, ingen ville tro på vores resultater, " sagde Chen. "Vi tror også, at vi kan prøve at tilføje andre små grupper til overfladen, måske lave andre ting. Det er en helt ny forskningsretning, og vi er meget spændte."

Mens Zhou sagde, at holdets modificerede MOF fungerer effektivt, det kan kræve noget yderligere udvikling at se handling på et raffinaderi.

"Vi beviste, at denne rute er lovende, "Zhou sagde, "men vi påstår ikke, at vores materialer fungerer så godt, at de ikke kan forbedres. Vores fremtidige mål er at øge deres selektivitet dramatisk. Det er værd at forfølge videre."