Een team van onderzoekers van de Universiteit van Minnesota heeft een grote hindernis overwonnen in de zoektocht naar het ontwerpen van een gespecialiseerd type moleculaire zeef waarmee de productie van benzine, kunststoffen en verschillende chemicaliën kosteneffectiever en energiezuiniger. Het baanbrekende onderzoek, onder leiding van Michael Tsapatsis, professor chemische technologie en materiaalwetenschappen aan het College of Science and Engineering van de universiteit, is gepubliceerd in het meest recente nummer van het tijdschrift Wetenschap .

Na meer dan tien jaar onderzoek, het team bedacht een middel om vrijstaande, ultradunne zeoliet nanosheets die als dunne films het filtratieproces kunnen versnellen en minder energie nodig hebben. Het team heeft een voorlopig patent en hoopt de technologie te commercialiseren.

"Naast onderzoek naar nieuwe hernieuwbare brandstoffen, chemicaliën en natuurlijke kunststoffen, we moeten ook kijken naar de productieprocessen van deze en andere producten die we nu gebruiken en manieren proberen te vinden om energie te besparen, ' zei Tsapatsis.

Het scheiden van gemengde stoffen kan aanzienlijke hoeveelheden energie vergen - momenteel geschat op ongeveer 15 procent van het totale energieverbruik - waarvan een deel wordt verspild door procesinefficiënties. In dagen van overvloedige en goedkope brandstof, dit was geen belangrijke overweging bij het ontwerpen van industriële scheidingsprocessen zoals destillatie voor het zuiveren van benzine en polymeerprecursoren. Maar naarmate de energieprijzen stijgen en het beleid efficiëntie bevordert, de behoefte aan meer energie-efficiënte alternatieven is gegroeid.

Een veelbelovende optie voor meer energie-efficiënte scheidingen is moleculaire scheiding met hoge resolutie met membranen. Ze zijn gebaseerd op preferentiële adsorptie en/of zeven van moleculen met minieme verschillen in grootte en vorm. Onder de kandidaten voor selectieve scheidingsmembranen, zeolietmaterialen (kristallen met moleculaire poriën) zijn veelbelovend.

Hoewel zeolieten al tientallen jaren als adsorbens en katalysator worden gebruikt, er zijn aanzienlijke uitdagingen geweest bij het verwerken van zeolietmaterialen tot verlengde vellen die intact blijven. Om energiebesparende technologie mogelijk te maken, wetenschappers moesten kosteneffectieve, betrouwbare en schaalbare afzettingsmethoden voor de vorming van dunne film zeoliet.

Het team van de Universiteit van Minnesota gebruikte geluidsgolven in een gespecialiseerd centrifugeproces om "tapijten" van schilferige kristalachtige nanoplaten te ontwikkelen die niet alleen plat zijn, maar precies de juiste hoeveelheid dikte hebben. Het resulterende product kan worden gebruikt om moleculen te scheiden als zeef of als membraanbarrière in zowel onderzoeks- als industriële toepassingen.

"We denken dat deze ontdekking veelbelovend is in commerciële toepassingen, " zei Kumar Varoon, een Universiteit van Minnesota chemische technologie en materiaalkunde Ph.D. kandidaat en een van de hoofdauteurs van het artikel gepubliceerd in Science. "Dit materiaal heeft een goede dekking en is erg dun. Het kan de productiekosten in raffinaderijen aanzienlijk verlagen en energie besparen."