Un innovador material de filtración pronto puede reducir el costo ambiental de la fabricación de plástico. Creado por un equipo que incluye científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST, el avance puede extraer el ingrediente clave en la forma más común de plástico de unmezcla de otras sustancias químicas, mientras consume mucha menos energía de lo habitual
El material es un marco organometálico MOF, una clase de sustancias que han demostrado repetidamente un talento para separar los hidrocarburos individuales de la sopa de moléculas orgánicas producidas por los procesos de refinación de petróleo. Los MOF tienen un valor inmenso para las industrias del plástico y el petróleo.debido a esta capacidad, que podría permitir a los fabricantes realizar estas separaciones de manera mucho más económica que las técnicas estándar de refinación de petróleo.
Esta promesa ha hecho que los MOF sean objeto de un intenso estudio en el NIST y en otros lugares, lo que lleva a MOF que pueden separar diferentes octanos de gasolina y acelerar las reacciones químicas complejas. Sin embargo, un objetivo importante ha resultado difícil de alcanzar: un método industrialmente preferido para exprimiretileno: la molécula necesaria para crear polietileno, el plástico utilizado para hacer bolsas de compras y otros recipientes cotidianos.
Sin embargo, en el número de hoy de la revista ciencia , el equipo de investigación revela que una modificación a un MOF bien estudiado le permite separar etileno purificado de una mezcla con etano. La creación del equipo, construida en la Universidad de Texas en San Antonio UTSA y la Universidad Taiyuan de Chinade Tecnología y estudiado en el Centro NIST para la Investigación de Neutrones NCNR - representa un gran paso adelante para el campo.
La fabricación de plástico requiere mucha energía. El polietileno, el tipo de plástico más común, está hecho de etileno, una de las muchas moléculas de hidrocarburos que se encuentran en la refinación de petróleo crudo. El etileno debe estar altamente purificado para que el proceso de fabricación funcione, pero elLa tecnología industrial actual para separar el etileno de todos los demás hidrocarburos es un proceso frío pero de alta energía que enfría el crudo a más de 100 grados bajo cero Celsius.
Etileno y etano constituyen la mayor parte de los hidrocarburos en la mezcla, y separar estos dos es, con mucho, el paso más intensivo en energía. Encontrar un método alternativo de separación reduciría la energía necesaria para fabricar 170 millones de toneladas de etileno fabricadas en todo el mundocada año.
Los científicos han estado buscando un método alternativo de este tipo durante años, y los MOF parecen prometedores. En un nivel microscópico, se parecen un poco a un rascacielos medio construido de vigas y sin paredes. Las vigas tienen superficies que ciertas moléculas de hidrocarburos se pegaráncon firmeza, por lo que verter una mezcla de dos hidrocarburos a través del MOF correcto puede extraer un tipo de molécula de la mezcla, dejando que el otro hidrocarburo emerja en forma pura.
El truco es crear un MOF que permita el paso del etileno. Para la industria del plástico, este ha sido el punto de conflicto.
"Es muy difícil de hacer", dijo Wei Zhou, un científico de la NCNR. "La mayoría de los MOF que se han estudiado agarran etileno en lugar de etano. Algunos de ellos incluso han demostrado una excelente separación
rendimiento, mediante la adsorción selectiva del etileno. Pero desde una perspectiva industrial, preferiría hacer lo contrario si es posible. Desea adsorber el subproducto de etano y dejar que pase el etileno ".
El equipo de investigación pasó años tratando de resolver el problema. En 2012, otro equipo de investigación que trabajó en el NCNR descubrió que un marco particular llamado MOF-74 era bueno para separar una variedad de hidrocarburos, incluido el etileno. Parecía un buenpunto de partida, y los miembros del equipo buscaron inspiración en la literatura científica. Una idea tomada de la bioquímica finalmente los envió en la dirección correcta.
"Un gran tema en química es encontrar formas de romper el fuerte vínculo que se forma entre el carbono y el hidrógeno", dijo el profesor de UTSA Banglin Chen, quien dirigió el equipo. "Hacer eso le permite crear muchos materiales nuevos y valiosos. Nosotrosencontraron investigaciones previas que mostraron que los compuestos que contienen peróxido de hierro podrían romper ese enlace "
El equipo razonó que para romper el enlace en una molécula de hidrocarburo, el compuesto tendría que atraer a la molécula en primer lugar. Cuando modificaron las paredes de MOF-74 para contener una estructura similar al compuesto, resultó que la molécula eraatraído de su mezcla era etano.
El equipo llevó el MOF al NCNR para explorar su estructura atómica. Mediante una técnica llamada difracción de neutrones, determinaron qué parte de la superficie del MOF atrae el etano, una información clave para explicar por qué su innovación tuvo éxito donde otros esfuerzos han tenido éxitose quedó corto.
"Sin la comprensión fundamental del mecanismo, nadie creería nuestros resultados", dijo Chen. "También creemos que podemos intentar agregar otros grupos pequeños a la superficie, tal vez hacer otras cosas. Es una dirección de investigación completamente nueva".y estamos muy emocionados "
Si bien Zhou dijo que el MOF modificado del equipo funciona de manera eficiente, puede requerir algún desarrollo adicional para ver la acción en una refinería.
"Probamos que esta ruta es prometedora", dijo Zhou, "pero no estamos afirmando que nuestros materiales funcionen tan bien que no puedan mejorarse. Nuestro objetivo futuro es aumentar drásticamente su selectividad. Vale la pena seguir adelante".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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