At tænke uden for buret:En ny tilgang til energiintensive molekylære adskillelser

En omvendt form for vært-gæstekemi kunne hæmme den måde, den kemiske industri nærmer sig udfordrende på, energikrævende molekylære separationer.

Molekulære bure, hvor gæstemolekyler klæber sig til burenes ydre overflader i stedet for at trænge ind i et indre hulrum, kunne reducere miljøbelastningen ved at adskille blandinger af industrielle kemikalier, forskning fra KAUST tyder på.

Molekylær separation udført i stor skala af den kemiske industri tegner sig tilsammen for så meget som 15 procent af det globale energiforbrug. En af de mest energikrævende separationer involverer benzenderivater, kaldet xylener, som fremstilles som en blanding af tre isomere former, der skal adskilles for deres forskellige industrielle anvendelser. Den mest værdifulde isomer, para-xylen, er en nøgleingrediens i fremstilling af polyester og polyethylenterephthalat (PET) polymer.

"Konventionelt, disse isomerer adskilles ved hjælp af energikrævende metoder, såsom fraktioneret krystallisation, " siger Basem Moosa, en forsker i Niveen Khashabs laboratorium. "Alternative teknikker, der kræver mindre varme, ville sænke kulstofaftrykket og den samlede forurening af xylenseparation, " tilføjer han.

Khashab og hendes team har undersøgt muligheden for at adskille xylenisomerer ved hjælp af burlignende materialer, som selektivt absorberer en xylenisomer i blandingen, som en energieffektiv alternativ adskillelsesteknik. Tidligere forskning har fokuseret på porøse uorganiske materialer kaldet zeolitter, men behandlingsudfordringer og zeolitters begrænsede selektivitet har i nogen grad begrænset deres adoption af industrien.

I deres seneste arbejde, KAUST-forskere vendte sig mod stabil, let fremstillede organiske burmaterialer, der inkorporerede nitrogenbaserede azogrupper i deres struktur. Materialerne indfangede para-xylen-isomeren med høj selektivt. "Sammenlignet med andre organiske materialer, det viste en af ​​de højeste adsorbenter til xylenseparationer, " siger Aliyah Fakim, en ph.d. elev i Khashabs team. Påfaldende nok, imidlertid, para-xylen-adsorptionen involverede ikke, at isomeren kom ind i azo-buret. I stedet, isomeren sidder fast på ydersiden af ​​buret, danner krystaller, hvor hvert para-xylenmolekyle var omgivet af fire burmolekyler.

Holdet planlægger at forfine ydeevnen af ​​de ikke-porøse organiske bure ved at sænke aktiveringstemperaturen og reducere den tid, det tager at absorbere og derefter frigive para-xylenet, når det er ekstraheret fra blandingen.

Imidlertid, konceptet med separation ved hjælp af ikke-porøse organiske bure kunne anvendes til mange kemiske separationer i industriel skala, sænke energibehovet i disse store industrielle processer, Khashab bemærker. "Vi tror på, at disse strukturer vil være en næste generation, disruptiv teknologi til mange energikrævende kemiske separationer, " siger hun. "De økologiske bure er billige at opskalere sammenlignet med andre organiske materialer, og mest interessant, de kan nemt indstilles til selektive adskillelser, i modsætning til deres uorganiske zeolit-modstykker."