De benzine-industrie erkent het belang van para-xyleen, gezien de vele toepassingen in alledaagse producten, van plastic frisdrankflessen tot polyestervezel.

De uitdaging is dat xylenen in drieën reizen en vrijwel identiek zijn, waardoor het uiterst moeilijk is om para-xyleen efficiënt te scheiden en te zuiveren van zijn minder gebruikte broers en zussen, zoals ortho-xyleen. De grootte van deze moleculen verschilt een tiende van een nanometer. Echter, membranen met kleine poriën die zijn ontworpen om deze moleculen te differentiëren, kunnen mogelijk deze belangrijke scheiding mogelijk maken.

Voortbouwend op langetermijnonderzoek met ExxonMobil, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben nieuwe inzichten ontdekt in de fabricage van koolstofmembranen die het potentieel hebben om aanzienlijke kostenbesparingen te realiseren zodra de oplossing voor scheiding van xyleenisolatie wordt geschaald voor industrieel gebruik.

De bevindingen werden gerapporteerd in de 6 september, uitgave 2021 van de Proceedings van de National Academy of Sciences .

Het werk richt zich op "op koolstof gebaseerde moleculaire zeven, " gemaakt door dunne materiaallagen zodanig te verhitten dat alle andere atomen dan koolstof worden verdreven, wat resulteert in een houtskoolachtige substantie met gaten ter grootte van een molecuul. In 2016 toonden onderzoekers van Georgia Tech en Exxon Mobil voor het eerst aan dat een nieuw op koolstof gebaseerd moleculaire zeefmembraan met succes xyleenmoleculen kan scheiden en het superhandige para-xyleen uit de verpakking kan extraheren.

Nutsvoorzieningen, Georgia Tech heeft dit werk gevorderd, het bedenken van verbeterde koolstofbarrières waardoor het dunnere p-xyleen er sneller doorheen kan glippen, terwijl de bredere moleculen worden afgewezen. belangrijk, het team ontdekte een krachtige relatie tussen de bindingschemie van de koolstoffen en de mobiliteit van xylenen door de koolstofmembranen.

De prestaties van de koolstofmembranen zouden - indien gerealiseerd op industriële schaal - de energiekosten aanzienlijk kunnen verlagen in vergelijking met raffinageprocessen zoals de standaard kristallisatiemethode of op adsorptie gebaseerde methode. De eerste benadering omvat het bevriezen van de xyleenmoleculen waarin alleen de para-xyleen kristallen vormt, waardoor het gemakkelijk is om te isoleren, maar waarvoor aanzienlijke investeringen in energie nodig zijn. De laatste benadering vermindert het energieverbruik in vergelijking met kristallisatie, maar vereist dure en complexe apparatuur om te werken. Het probleem met membranen, volgens Georgia Tech-onderzoekers, is de aanpak alleen goed gewerkt in de laboratoriumomgeving, niet in een industriële omgeving.

"We hebben stabielere materialen gemaakt door de polymeerprecursor die we gebruiken te veranderen. Door vervolgens te veranderen hoe we het polymeer omzetten in de koolstof, we hebben de membranen productiever gemaakt, " zei Ryan Lively, een universitair hoofddocent aan de Georgia Tech's School of Chemical &Biomolecular Engineering en de corresponderende auteur van het artikel.

Hoeveel productiever? Het team heeft aangetoond dat de nieuwe materialen kunnen leiden tot zuiveringssystemen die naar schatting "drie tot zes keer goedkoper zijn dan andere geavanceerde methoden, ' zei Levendig.

Lively schat dat scheiding en zuivering goed zijn voor ongeveer de helft van de energie die wordt verbruikt bij de productie van basischemicaliën en brandstoffen. wereldwijd, de hoeveelheid energie die wordt gebruikt in conventionele scheidingsprocessen voor aromaten, bijvoorbeeld, benzeen tolueen, is gelijk aan die van ongeveer 20 middelgrote elektriciteitscentrales.

Deze vooruitgang kan een grote impact hebben op het chemische energieverbruik van benzine. Het onderzoek werd gefinancierd door ExxonMobil en bouwt voort op meer dan 15 jaar gezamenlijke onderzoeksinspanningen tussen Georgia Tech en de wereldwijde olie- en gasleider.

"Door samenwerking met sterke academische instellingen zoals Georgia Tech, we zijn voortdurend op zoek naar nieuwe, efficiëntere manieren om de energie op te wekken, Chemicaliën, en andere producten waar consumenten over de hele wereld elke dag op vertrouwen, " zei Vijay Swarup, vice-president van onderzoek en ontwikkeling bij ExxonMobil Research and Engineering Company.

De Georgia Tech-onderzoekers ontdekten ook nieuwe inzichten met betrekking tot de koolstofstructuur zelf. Het team merkte op dat subtiele veranderingen in de verhouding van driedimensionale tot tweedimensionale koolstofcentra in het membraan leidden tot indrukwekkend grote veranderingen in de mobiliteit van xyleenisothermen in dat materiaal. Ze merkten op dat een verandering in deze verhouding (de sp3/sp2-koolstofverhouding) van 0,2 naar 0,7 leidde tot een factor 1000 toename van de productiviteit van het membraan. Verrassend genoeg, het membraan behield grotendeels zijn selectiviteit, of het vermogen om de xyleenisomeerscheiding uit te voeren, ondanks deze veranderingen in de koolstofstructuur.

"Hoe meer driedimensionale koolstoffen erin zitten, hoe hoger de productiviteit, " zei MG Finn, professor en voorzitter van Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry en co-corresponderende auteur van het artikel. "Hoe meer u de productiviteit verhoogt, met behoud van dezelfde selectiviteit, hoe minder membraan je nodig hebt om dezelfde hoeveelheid xyleenvoeding te verwerken. Vanuit een ontwerpperspectief, het laat zien dat je deze enorme controle hebt over hoe het membraan werkt door heel kleine veranderingen aan te brengen in de koolstofchemie, ’ concludeerde Finn.