בעתיד הקרוב, חומר פילטר חדשני יכול להפחית את העלות הסביבתית שלייצור פלסטיק. צוות המדענים מהמכון הלאומי לתקנים וטכנולוגיה (NIST) מצא כי טכנולוגיה חדשנית זו יכולה לחלץ מרכיבי מפתח מהצורה הנפוצה ביותר של פלסטיק מתערובת של כימיקלים אחרים ולצרוך אנרגיה הרבה פחות מהרגיל.
חומר זה הוא סוג של תרכובת מסגרת אורגנית ממתכת (MOF). באמצעות ניסויים חוזרים, הוכח שיש להם את היכולת להפריד פחמימן יחיד מהמרק המולקולרי האורגני המיוצר בתהליך הזיקוק. בגלל יכולת זו, ל- MOF יש ערך רב בתעשיית הפלסטיק והנפט. בהשוואה לטכנולוגיית זיקוק מסורתית, MOF מאפשרת ליצרנים להיפרד בעלות נמוכה יותר.
סיכוי זה גורם לכך שתרכובות מסגרת אורגניות ממתכת (MOF) היו כבר זמן רב במוקד של NIST ומוסדות אחרים. באמצעות מאמצינו, MOF יכולה כעת להפריד בנזין אוקטן שונה ולהאיץ תגובות כימיות מורכבות. ועדיין, מטרה חשובה הוכיחה את הדעת: למצוא את התעשייה' הבחירה הראשונה שלה לחילוץ אתילן, המולקולה הדרושה לייצור פוליאתילן, הפלסטיק המשמש לייצור שקיות קניות ומכולות יומיומיות אחרות.
עם זאת, מאמר שפורסם במדע באוקטובר 25, 2018 מראה כי ניתן לשנות תרכובת מסגרת אורגנית מתכתית (MOF) המלאה כדי להפריד אתילן טהור מתערובת האתאן. הישג צוות זה הושלם במשותף על ידי אוניברסיטת טקסס בסן אנטוניו (UTSA) ואוניברסיטת טאיואן, סין, ובוצע מחקר במרכז המרכז לחקר נויטרון (NCNR), שמשמעותו צעד חשוב קדימה בתחום זה.
דרוש הרבה אנרגיה לייצור פלסטיק. פוליאתילן הוא סוג הפלסטיק הנפוץ ביותר, העשוי אתילן, שהוא אחת ממולקולות הפחמימנים הרבים שנמצאו בתהליך זיקוק נפט גולמי. אתילן צריך להיות מטוהר מאוד כדי למלא תפקיד בתהליך הייצור, אך הטכנולוגיה התעשייתית העכשווית להפרדת אתילן מכל שאר הפחמימנים היא תהליך צריכת אנרגיה בטמפרטורה נמוכה אך גבוהה, שצריך לקרר את הנפט הגולמי ל - 100C או נמוך יותר.
אתילן ואתאן מהווים את הגוף העיקרי של הפחמימנים בתערובת. ההפרדה בין שני החומרים הללו היא הצעד הצורך ביותר באנרגיה עד כה. מציאת שיטת הפרדה אלטרנטיבית תפחית את הייצור העולמי השנתי נקודה אחת שבע אנרגיה הדרושה ל 100 מיליון טון אתילן.
במשך שנים רבות מדענים חיפשו שיטה חלופית שכזו. תרכובות מסגרת אורגניות ממתכת (MOF) נראות מבטיחות. ברמת המיקרו הם נראים כמו גורד שחקים בנוי למחצה עם קורות, ללא קירות. ישנן כמה מולקולות פחמימניות המחוברות היטב אל פני השטח של קורות אלה, כך שניתן להזריק את ה- MOF המתאים לתערובת של שני פחמימנים, שאחד מהם ניתן לשלוף מהתערובת, כך שהפחמימן האחר יכול להופיע בצורה טהורה .
המפתח למחקר הוא יצירת MOF המאפשר לעבור אתילן. עבור תעשיית הפלסטיק, זה היה העניין העיקרי.
GG quot;' קשה לעשות זאת," אמר ווי ג'ו, מדען במרכז NIST לחקר נויטרון (NCNR)." נמצא כי רוב ה- MOF יתפוס אתילן ולא אתאן. חלקם אף מראים ביצועי הפרדה מצוינים על ידי ספיחה סלקטיבית של אתילן. אבל מנקודת המבט של התעשייה, אם הדבר אפשרי, אתה מוכן יותר לתפוס אתאן מאשר אתילן, לספוג אתאן ולתת לאתילן לעבור."
צוות המחקר השקיע שנים בניסיון לפתור את הבעיה. ב- 2012, צוות אחר שעבד במרכז NIST' המרכז לחקר נויטרון (NCNR) מצא כי שלד מיוחד, mof-74, יכול להפריד היטב פחמימנים שונים, כולל אתילן. נראה שזה מקום טוב להתחיל בו, שכן חברי הצוות מחפשים הרבה ספרות מדעית לקבלת השראה רבה יותר. רעיון מביוכימיה הוביל אותם בסופו של דבר לכיוון הנכון.
מסגרת אורגנית מתכתית על בסיס ברזל מעוטרת בקבוצת חמצן יכולה ללכוד אתאן ולאפשר אתילן לעבור דרכו, כך שניתן לספק שיטה יעילה וכלכלית יותר לטיהור אתילן (חומר הגלם החשוב ביותר לייצור פלסטי).
נושא GG; מציאת דרכים לשבור את הקשר החזק בין פחמן למימן הוא נושא עצום בכימיה," אמר בנגלין חן, פרופסור מאוניברסיטת טקסס בסן אנטוניו שהוביל את צוות המחקר. ציטוט GG; אתה יכול ליצור הרבה חומרים חדשים וחסרי ערך על ידי כך. מצאנו ממחקרים קודמים שתרכובות המכילות מי חמצן יכולות לשבור את הקשר."
כדי לשבור את הקשר של מולקולות פחמימניות, הסיק הצוות, ראשית, על המתחם להיות מסוגל למשוך אותן. כשהפכו את קיר mof-74 למבנה הדומה לתרכובת זו, הם גילו שהמולקולה שנשאבה מהתערובת היא אתאן.
הצוות הביא את ה- MOF למרכז NIST לחקר נויטרון (NCNR) כדי לחקור את המבנה האטומי שלו. בעזרת טכניקה הנקראת דיפרקציה ניוטרון, הם קבעו איזה חלק משטח ה- MOF' המשטח משך אתאן - סיבה חשובה לכך שרק החדשנות שלהם הצליחה.
GG quot; אם אנו יכולים' לא לתפוס את המנגנון הזה באופן עקרוני, אף אחד לא יאמין לתוצאות שלנו," אמר חן.&ציטוט; אנו גם מאמינים שיכולים להיות דברים אחרים שאנחנו יכולים לעשות אם ננסה להגדיל קבוצות קטנות אחרות על פני השטח. זה כיוון מחקרי חדש, אנחנו מאוד נרגשים."
