Effektivitetsspring ved adskillelse af para-xylen ved hjælp af nye kulstofmembraner

Benzinindustrien erkender vigtigheden af ​​para-xylen, på grund af dets mange anvendelsesmuligheder i hverdagsprodukter, fra plastic sodavandsflasker til polyesterfiber.

Udfordringen er, at xylener rejser i tre og er stort set identiske, hvilket gør det ekstremt vanskeligt effektivt at adskille og oprense para-xylen fra dets mindre brugte søskende, såsom ortho-xylen. Disse molekylers størrelse adskiller sig med en tiendedel af et nanometer. Imidlertid, membraner med små porer konstrueret til at differentiere disse molekyler kan muligvis muliggøre denne vigtige adskillelse.

Bygger på langsigtet forskning med ExxonMobil, forskere ved Georgia Institute of Technology har afsløret ny indsigt i fremstillingen af ​​kulstofmembraner, der har potentialet til at drive betydelige omkostningsbesparelser, når først løsningen til xylenisolationsadskillelse er skaleret til industriel brug.

Resultaterne blev rapporteret den 6. september, 2021 udgave af Proceedings of the National Academy of Sciences .

Arbejdet fokuserer på "kulstofbaserede molekylsigter, "fremstillet ved at opvarme tynde lag af materialer på en sådan måde, at alle andre atomer end kulstof uddrives, resulterer i et kullignende stof, der har huller i molekylstørrelse. I 2016 viste forskere fra Georgia Tech og Exxon Mobil først, at en ny kulstofbaseret molekylsigtmembran med succes kunne adskille xylenmolekyler og ekstrahere det super-nyttige para-xylen fra pakningen.

Nu, Georgia Tech har avanceret dette arbejde, udtænke forbedrede kulstofbarrierer, der gør det muligt for den tyndere p-xylen at glide hurtigere igennem, mens de afviser de bredere molekyler. Vigtigere, teamet opdagede et stærkt forhold mellem kulstoffernes bindingskemi og xyleners mobilitet gennem kulstofmembranerne.

Kulstofmembranernes ydeevne-hvis den realiseres i industrielle skalaer-kan reducere energiomkostningerne betydeligt sammenlignet med raffineringsprocesser som standardkrystalliseringsmetoden eller adsorptionsbaseret metode. Den førstnævnte tilgang involverer frysning af xylenmolekylerne, hvor kun para-xylenet danner krystaller, gør det let at isolere, men kræver betydelige energiinvesteringer. Sidstnævnte tilgang reducerer energiforbruget sammenlignet med krystallisering, men kræver dyrt og komplekst udstyr at fungere. Problemet med membraner, ifølge Georgia Tech forskere, er tilgangen kun har fungeret godt i laboratoriemiljøet, ikke i industrielle omgivelser.

"Vi har lavet mere stabile materialer ved at ændre den polymerforløber, vi bruger. Derefter ved at ændre, hvordan vi omdanner polymeren til carbon, vi har gjort membranerne mere produktive, " sagde Ryan Lively, en lektor ved Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering og avisens tilsvarende forfatter.

Hvor meget mere produktiv? Teamet har vist, at de nye materialer kan føre til rensningssystemer, der anslås at være "tre til seks gange lavere omkostninger end andre topmoderne metoder, " sagde Lively.

Levende vurderer, at adskillelse og rensning tegner sig for omkring halvdelen af ​​energiforbruget til produktion af råvarekemikalier og brændstoffer. Globalt set mængden af ​​energi, der bruges i konventionelle separationsprocesser for aromater, for eksempel, benzen toluen, er lig med det, der produceres af omkring 20 kraftværker i gennemsnit.

Dette fremskridt kan have en stor indvirkning på benzin kemisk energiforbrug. Forskningen blev finansieret af ExxonMobil og bygger på mere end 15 års forskningssamarbejde mellem Georgia Tech og den globale olie- og gasleder.

"Gennem samarbejde med stærke akademiske institutioner som Georgia Tech, vi udforsker konstant nyt, mere effektive måder at producere energi på, kemikalier, og andre produkter, forbrugerne rundt om i verden stoler på hver dag, "sagde Vijay Swarup, vicepræsident for forskning og udvikling hos ExxonMobil Research and Engineering Company.

Georgia Tech-forskerne afslørede også ny indsigt vedrørende selve kulstofstrukturen. Holdet observerede, at subtile ændringer i forholdet mellem tredimensionelle og todimensionelle kulstofcentre i membranen førte til imponerende store ændringer i mobiliteten af ​​xylenisotermer i dette materiale. De observerede, at en ændring i dette forhold (sp3/sp2 carbonforholdet) fra 0,2 til 0,7 førte til en faktor på 1000 stigning i membranens produktivitet. Overraskende, membranen bevarede stort set sin selektivitet, eller dets evne til at udføre xylenisomerseparationen, trods disse ændringer i kulstofstrukturen.

"De mere tredimensionelle carbonatomer er derinde, jo højere produktivitet, "sagde M.G. Finn, professor og formand for Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry og medsvarende forfatter til artiklen. "Jo mere du øger produktiviteten, samtidig med at den samme selektivitet bevares, jo mindre membran skal du bruge for at håndtere den samme mængde xylenfoder. Set fra et designperspektiv, det viser, at du har denne enorme kontrol over, hvordan membranen fungerer, ved at lave meget små ændringer i kulstofkemien, " konkluderede Finn.