De ITQ-onderzoekers van ExxonMobil en de Polytechnische Universiteit van Valencia ontwikkelen een zeoliet om ethyleen te scheiden met 25 procent minder energie dan met de huidige methoden.

Wetenschappers van ExxonMobil en het Instituut voor Chemische Technologie (ITQ) van de Polytechnische Universiteit van Valencia en de Spaanse Nationale Onderzoeksraad (CSIC) hebben een nieuwe, potentieel revolutionair materiaal dat de hoeveelheid energie en emissies die gepaard gaan met de productie van ethyleen aanzienlijk zou kunnen verminderen. Dit nieuwe materiaal, samen met andere scheidingsprocessen, kan leiden tot een reductie tot 25 procent van de energie die momenteel nodig is voor de scheiding van ethyleen, evenals de bijbehorende uitstoot van kooldioxide. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in Wetenschap .

Onderzoekers van ExxonMobil en de ITQ hebben ontdekt dat het nieuwe materiaal, samengesteld uit een silica-zeoliet met een unieke structuur, kan worden gebruikt in gasscheidingsprocessen zoals het terugwinnen van ethyleen uit stromen die ethaan en ethyleen bevatten. Zeolieten zijn microporeuze materialen die gewoonlijk worden gebruikt voor adsorberende en katalytische doeleinden in chemische processen. In het geval van de ITQ-55 zeoliet, scheiding wordt uitgevoerd met een ongekende mate van selectiviteit bij kamertemperatuur. Onderzoeksresultaten kunnen ook van toepassing zijn op het ontwerp van nieuwe materialen die als adsorbentia of membranen kunnen worden gebruikt in verschillende toepassingen van gasscheiding die verband houden met de fabricage van chemische producten.

"Cryogene distillatie, de procedure die momenteel wordt gebruikt om ethyleen op commerciële schaal te scheiden, is een proces dat veel energie kost, " legt Vijay Swarup uit, vice-president onderzoek en ontwikkeling voor de ExxonMobil Research and Engineering Company. "Als dit nieuwe materiaal op commerciële schaal wordt toegepast, het zou de hoeveelheid energie en emissies die gepaard gaan met de productie van ethyleen aanzienlijk kunnen verminderen. Dit is weer een uitstekend voorbeeld van samenwerking tussen industrie en academie, gericht op het promoten van oplossingen om de energetische efficiëntie te verbeteren en de koolstofemissies van industriële processen te verminderen."

Ethyleen is een essentieel onderdeel bij de productie van chemische en plastic producten die vaak worden gebruikt in het dagelijks leven, waardoor de zoektocht naar alternatieve technologieën om ethyleen van ethaan te scheiden met een laag energetisch verbruik een zeer actief onderzoeksveld wordt. Hoewel fabrikanten van chemische producten een reeks alternatieven voor cryogene distillatie hebben geëvalueerd, inclusief nieuwe adsorbentia en scheidingsprocessen, de meeste van deze alternatieve technologieën worden gehinderd door lage selectiviteit en efficiëntie, evenals de onmogelijkheid om adsorbentia te regenereren omdat ze bij gebruik ontleden door de aanwezigheid van verontreinigingen.

Het nieuwe ITQ-55-materiaal is in staat om selectief ethyleen van ethaan te scheiden dankzij de exclusieve poreuze en flexibele structuur. Gemaakt door hartvormige eenheden onderling verbonden door grote en flexibele kanalen, het nieuwe materiaal laat vlakkere ethyleenmoleculen passeren, terwijl de toegang tot de rondere ethaanmoleculen wordt ontkend. Daarom, het nieuwe materiaal fungeert als een flexibele moleculaire zeef.

"De ITQ-55 is een zeer interessant materiaal, waarvan de unieke combinatie van poriegroottes, topologie, flexibiliteit en chemische samenstelling leidt tot een zeer stabiel en chemisch inert materiaal dat in staat is om ethyleen te adsorberen en ethaan uit te filteren, " legt CSIC-onderzoeksprofessor Avelino Corma uit, co-auteur van het onderzoek. "We zijn verheugd met deze ontdekking en hopen onze vruchtbare samenwerking met ExxonMobil voort te zetten, " hij voegt toe.

Er moet nog aanvullend onderzoek worden gedaan voordat het nieuwe materiaal in aanmerking komt voor grootschalige commercialisering. Verder onderzoek zal gericht zijn op het opnemen van het materiaal in een membraan voor industrieel gebruik, evenals het ontwikkelen van nieuwe materialen voor gasscheiding.

"Ons einddoel om cryogene distillatie te vervangen, is een uitdaging op lange termijn die nog vele jaren van onderzoek en tests in en buiten het laboratorium zal vergen, "Gary Casty, hoofd van de afdeling katalyse van ExxonMobil Research and Engineering Company, voegt hieraan toe. "Onze volgende stappen zullen gericht zijn op een beter begrip van het potentieel van dit nieuwe zeolietmateriaal."

Chemische fabrieken vertegenwoordigen ongeveer acht procent van de wereldwijde vraag naar energie en ongeveer 15 procent van de verwachte groei van de vraag tot 2040. Naarmate de wereldbevolking en de levensstandaard toenemen, net als de vraag naar consumptiegoederen, bouwmaterialen, elektronische apparaten en andere petrochemische bijproducten. ExxonMobil's goal is to improve industrial efficiency to meet the increasing energy requirements of the world while mitigating the environmental impact.