Een innovatief filtermateriaal kan binnenkort de milieukosten van de productie van plastic verlagen. Gemaakt door een team met wetenschappers van het National Institute of Standards and Technology (NIST), de vooruitgang kan het belangrijkste ingrediënt in de meest voorkomende vorm van plastic uit een mengsel van andere chemicaliën halen, terwijl het veel minder energie verbruikt dan normaal.

Het materiaal is een metaal-organisch raamwerk (MOF), een klasse stoffen die herhaaldelijk blijk hebben gegeven van een talent voor het scheiden van individuele koolwaterstoffen uit de soep van organische moleculen die wordt geproduceerd door olieraffinageprocessen. MOF's hebben een enorme waarde voor de plastic- en aardolie-industrie vanwege dit vermogen, waardoor fabrikanten deze scheidingen veel goedkoper zouden kunnen uitvoeren dan standaard olieraffinagetechnieken.

Deze belofte heeft MOF's tot onderwerp van intensieve studie gemaakt bij NIST en elders, wat leidt tot MOF's die verschillende octanen van benzine kunnen scheiden en complexe chemische reacties kunnen versnellen. Een belangrijk doel is ongrijpbaar gebleken, hoewel:een industrieel geprefereerde methode voor het uitwringen van ethyleen - het molecuul dat nodig is om polyethyleen te maken, het plastic dat wordt gebruikt om boodschappentassen en andere alledaagse containers te maken.

Echter, in de uitgave van het tijdschrift van vandaag Wetenschap , het onderzoeksteam onthult dat een aanpassing aan een goed bestudeerde MOF het mogelijk maakt om gezuiverd ethyleen te scheiden uit een mengsel met ethaan. De creatie van het team - gebouwd aan de Universiteit van Texas in San Antonio (UTSA) en de Taiyuan University of Technology in China en gestudeerd aan het NIST Center for Neutron Research (NCNR) - betekent een grote stap voorwaarts voor het veld.

Het maken van plastic kost veel energie. Polyethyleen, de meest voorkomende kunststofsoort, is opgebouwd uit ethyleen, een van de vele koolwaterstofmoleculen die worden aangetroffen bij de raffinage van ruwe olie. Het ethyleen moet sterk worden gezuiverd om het productieproces te laten werken, maar de huidige industriële technologie voor het scheiden van ethyleen van alle andere koolwaterstoffen is een koud maar energierijk proces dat de ruwe olie afkoelt tot meer dan 100 graden onder nul Celsius.

Ethyleen en ethaan vormen het grootste deel van de koolwaterstoffen in het mengsel, en het scheiden van deze twee is verreweg de meest energie-intensieve stap. Het vinden van een alternatieve scheidingsmethode zou de energie verminderen die nodig is om de 170 miljoen ton ethyleen die jaarlijks wereldwijd wordt geproduceerd, te maken.

Wetenschappers zoeken al jaren naar zo'n alternatieve methode, en MOF's lijken veelbelovend. Op microscopisch niveau, ze zien er een beetje uit als een half afgebouwde wolkenkrabber van liggers en geen muren. De liggers hebben oppervlakken waar bepaalde koolwaterstofmoleculen stevig aan blijven kleven, dus door een mengsel van twee koolwaterstoffen door de juiste MOF te gieten, kan één soort molecuul uit de mix worden getrokken, waardoor de andere koolwaterstof in zuivere vorm tevoorschijn komt.

De truc is om een ​​MOF te maken waar het ethyleen doorheen kan. Voor de kunststofindustrie dit is het knelpunt geweest.

"Het is heel moeilijk om te doen, " zei Wei Zhou, een wetenschapper bij de NCNR. "De meeste MOF's die zijn onderzocht, grijpen op ethyleen in plaats van op ethaan. Een paar van hen hebben zelfs een uitstekende scheiding laten zien

uitvoering, door selectief het etheen te adsorberen. Maar vanuit industrieel perspectief zou je, indien mogelijk, liever het tegenovergestelde doen. Je wilt het ethaanbijproduct adsorberen en het ethyleen doorlaten."

Het onderzoeksteam heeft jarenlang geprobeerd het probleem op te lossen. In 2012, een ander onderzoeksteam dat bij de NCNR werkte, ontdekte dat een bepaald raamwerk, MOF-74 genaamd, goed was voor het scheiden van een verscheidenheid aan koolwaterstoffen, inclusief ethyleen. Het leek me een goed uitgangspunt, en de teamleden speurden de wetenschappelijke literatuur af voor extra inspiratie. Een idee uit de biochemie stuurde hen uiteindelijk in de goede richting.

"Een enorm onderwerp in de chemie is het vinden van manieren om de sterke binding tussen koolstof en waterstof te verbreken, " zei UTSA-professor Banglin Chen, die het team leidde. "Als je dat doet, kun je veel waardevolle nieuwe materialen maken. We vonden eerder onderzoek waaruit bleek dat verbindingen die ijzerperoxide bevatten die binding kunnen verbreken."

Het team redeneerde dat om de binding in een koolwaterstofmolecuul te verbreken, de verbinding zou het molecuul in de eerste plaats moeten aantrekken. Toen ze de muren van MOF-74 aanpasten om een ​​structuur te bevatten die lijkt op de compound, het bleek dat het molecuul dat het uit hun mengsel aantrok ethaan was.

Het team bracht de MOF naar de NCNR om de atomaire structuur te onderzoeken. Met behulp van een techniek genaamd neutronendiffractie, ze bepaalden welk deel van het oppervlak van de MOF ethaan aantrekt - een belangrijk stuk informatie om uit te leggen waarom hun innovatie is gelukt waar andere inspanningen zijn mislukt.

"Zonder het fundamentele begrip van het mechanisme, niemand zou onze resultaten geloven, Chen zei. "We denken ook dat we kunnen proberen om andere kleine groepen aan de oppervlakte toe te voegen, misschien andere dingen doen. Het is een geheel nieuwe onderzoeksrichting en we zijn erg enthousiast."

Hoewel Zhou zei dat de aangepaste MOF van het team efficiënt werkt, het kan wat extra ontwikkeling vereisen om actie te zien bij een raffinaderij.

"We hebben bewezen dat deze route veelbelovend is, "Zhou zei, "Maar we beweren niet dat onze materialen zo goed presteren dat ze niet kunnen worden verbeterd. Ons toekomstige doel is om hun selectiviteit drastisch te vergroten. Het is de moeite waard om verder te gaan."