วัสดุใหม่สามารถทำให้การผลิตพลาสติกประหยัดพลังงานมากขึ้น

ในอนาคตอันใกล้นี้วัสดุกรองนวัตกรรมสามารถลดต้นทุนด้านสิ่งแวดล้อมของผลิตพลาสติก. ทีมนักวิทยาศาสตร์จากสถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติ (NIST) พบว่าเทคโนโลยีที่เป็นนวัตกรรมนี้สามารถสกัดส่วนประกอบที่สำคัญของพลาสติกที่พบได้บ่อยที่สุดจากส่วนผสมของสารเคมีอื่น ๆ และใช้พลังงานน้อยกว่าปกติ

วัสดุนี้เป็นสารประกอบอินทรีย์กรอบโลหะชนิดหนึ่ง (MOF) ผ่านการทดลองซ้ำแล้วซ้ำอีกได้รับการพิสูจน์แล้วว่าพวกเขามีความสามารถในการแยกไฮโดรคาร์บอนเดี่ยวออกจากซุปโมเลกุลอินทรีย์ที่ผลิตในกระบวนการกลั่น ด้วยความสามารถนี้กระทรวงการคลังจึงมีคุณค่าอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมพลาสติกและปิโตรเลียม เมื่อเทียบกับเทคโนโลยีการกลั่นแบบดั้งเดิม MOF ช่วยให้ผู้ผลิตแยกค่าใช้จ่ายที่ต่ำกว่า

โอกาสนี้ทำให้สารประกอบอินทรีย์กรอบโลหะ (MOF) ได้รับความสนใจจาก NIST และสถาบันอื่น ๆ มานาน ด้วยความพยายามของเรากระทรวงการคลังสามารถแยกออกเทนเบนซินที่แตกต่างกันและเร่งปฏิกิริยาทางเคมีที่ซับซ้อน ยังคงเป้าหมายที่สำคัญได้พิสูจน์แล้วว่าเข้าใจยาก: การค้นหาตัวเลือกแรกของอุตสาหกรรม&# 39 คือการสกัดเอธิลีนโมเลกุลที่จำเป็นในการสร้างเอทิลีนพลาสติกที่ใช้ทำถุงช้อปปิ้งและภาชนะอื่น ๆ ทุกวัน

อย่างไรก็ตามกระดาษที่ตีพิมพ์ในวิทยาศาสตร์เมื่อเดือนตุลาคม 25, 2018 แสดงให้เห็นว่าสารประกอบอินทรีย์กรอบโลหะการศึกษาอย่างเต็มรูปแบบ (MOF) สามารถปรับเปลี่ยนเพื่อแยกเอทิลีนบริสุทธิ์จากส่วนผสมของอีเทน ความสำเร็จของทีมนี้เสร็จสมบูรณ์โดยมหาวิทยาลัยเท็กซัสที่ซานอันโตนิโอ (UTSA) และมหาวิทยาลัยไท่หยวนประเทศจีนและดำเนินการวิจัยที่ศูนย์ NIST เพื่อการวิจัยนิวตรอน (NCNR) ซึ่งหมายถึงขั้นตอนสำคัญในสาขานี้

ต้องใช้พลังงานจำนวนมากในการทำพลาสติก โพลีเอทิลีนเป็นพลาสติกที่พบมากที่สุดที่ทำจากเอทิลีนซึ่งเป็นหนึ่งในโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนจำนวนมากที่พบในกระบวนการกลั่นน้ำมันดิบ เอธิลีนจะต้องมีความบริสุทธิ์สูงเพื่อที่จะมีบทบาทในกระบวนการผลิต แต่เทคโนโลยีอุตสาหกรรมในปัจจุบันเพื่อแยกเอทิลีนจากไฮโดรคาร์บอนอื่น ๆ ทั้งหมดนั้นเป็นกระบวนการที่ใช้อุณหภูมิต่ำ แต่ใช้พลังงานสูงซึ่งต้องทำให้น้ำมันดิบเย็นลงถึง 100C หรือต่ำกว่า

เอธิลีนและอีเธนเป็นส่วนประกอบหลักของไฮโดรคาร์บอน การแยกสารทั้งสองนี้เป็นขั้นตอนที่สิ้นเปลืองพลังงานมากที่สุด การหาวิธีการแยกทางเลือกจะช่วยลดการผลิตทั่วโลกประจำปีหนึ่งจุดเจ็ดพลังงานที่จำเป็นสำหรับ 100 ล้านเอทิลีน

เป็นเวลาหลายปีที่นักวิทยาศาสตร์ได้มองหาวิธีทางเลือกดังกล่าว สารประกอบอินทรีย์กรอบโลหะ (MOF) ดูมีแนวโน้ม ในระดับจุลภาคพวกเขาดูเหมือนตึกระฟ้าที่สร้างขึ้นครึ่งหนึ่งที่มีคานไม่มีกำแพง มีโมเลกุลของไฮโดรคาร์บอนบางส่วนติดแน่นกับพื้นผิวของคานดังนั้น MOF ที่เหมาะสมสามารถฉีดเข้าไปในส่วนผสมของไฮโดรคาร์บอนสองตัวซึ่งหนึ่งในนั้นสามารถดึงออกมาจากส่วนผสมเพื่อให้ไฮโดรคาร์บอนอื่นสามารถปรากฏในรูปแบบบริสุทธิ์ .

กุญแจสำคัญในการศึกษาคือการสร้างกระทรวงการคลังที่อนุญาตให้เอทิลีนผ่านไปได้ สำหรับอุตสาหกรรมพลาสติกนี่เป็นจุดเริ่มต้น

GG quot; เป็น&# 39 ยากที่จะทำ" เหว่ยโจวนักวิทยาศาสตร์ที่ศูนย์ NIST เพื่อการวิจัยนิวตรอน (NCNR) กล่าว" พบว่า MOF ส่วนใหญ่จะจับเอทธิลีนมากกว่าอีเทน บางส่วนของพวกเขาแสดงประสิทธิภาพการแยกที่ดีเยี่ยมโดยการเลือกการดูดซับของเอทิลีน แต่จากมุมมองของอุตสาหกรรมถ้าเป็นไปได้คุณยินดีที่จะยึดอีเทนมากกว่าเอธิลีนดูดซับอีเทนและปล่อยให้เอทธิลีนผ่านไป"

ทีมวิจัยใช้เวลาหลายปีพยายามแก้ปัญหา ใน 2012 ทีมอื่นที่ทำงานอยู่ที่ NIST&# 39 ศูนย์การวิจัยนิวตรอน (NCNR) พบว่าโครงกระดูกพิเศษ mof-74 สามารถแยกไฮโดรคาร์บอนต่าง ๆ ได้ดีรวมถึงเอทิลีน นี่เป็นจุดเริ่มต้นที่ดีในขณะที่สมาชิกในทีมค้นหาวรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์มากมายเพื่อหาแรงบันดาลใจเพิ่มเติม แนวคิดจากชีวเคมีในที่สุดก็นำพวกเขาไปในทิศทางที่ถูกต้อง

กรอบโลหะอินทรีย์ที่ทำจากเหล็กชนิดนี้ที่ตกแต่งด้วยกลุ่มเปอร์ออกไซด์สามารถจับอีเทนและปล่อยให้เอธิลีนผ่านไปได้ดังนั้นจึงเป็นไปได้ที่จะให้วิธีการทางเศรษฐกิจที่มีประสิทธิภาพและประหยัดกว่าในการชำระล้างเอทธิลีน

GG quot; การหาวิธีที่จะทำลายความผูกพันที่แข็งแกร่งระหว่างคาร์บอนและไฮโดรเจนเป็นหัวข้อใหญ่ในวิชาเคมี," Banglin Chen ศาสตราจารย์แห่งมหาวิทยาลัยเท็กซัสของ San Antonio ผู้เป็นหัวหน้าทีมวิจัยกล่าว" คุณสามารถสร้างวัสดุใหม่ที่มีค่ามากมายโดยทำเช่นนั้น เราพบจากการวิจัยก่อนหน้านี้ว่าสารประกอบที่มีธาตุเหล็กเปอร์ออกไซด์สามารถทำลายพันธะได้"

ในการทำลายพันธะของโมเลกุลไฮโดรคาร์บอนทีมสรุปว่าสารประกอบนั้นจะต้องสามารถดึงดูดพวกมันได้ก่อน เมื่อพวกเขาเปลี่ยนผนังของ mof-74 ให้เป็นโครงสร้างที่คล้ายกับสารประกอบนี้พวกเขาพบว่าโมเลกุลที่ดูดออกมาจากส่วนผสมนั้นคืออีเทน

ทีมนำ MOF มาที่ศูนย์ NIST เพื่อการวิจัยนิวตรอน (NCNR) เพื่อศึกษาโครงสร้างอะตอม การใช้เทคนิคที่เรียกว่าการกระจายนิวตรอนพวกเขาพิจารณาว่าส่วนใดของพื้นผิวของ MOF&# 39 ซึ่งดึงดูดอีเทน - เหตุผลสำคัญที่ทำให้นวัตกรรมของพวกเขาประสบความสำเร็จเท่านั้น

GG quot; ถ้าเราทำได้' ไม่เข้าใจกลไกนี้ในหลักการไม่มีใครจะเชื่อผลลัพธ์ของเรา" เฉินกล่าว" เราเชื่อว่าอาจมีสิ่งอื่น ๆ ที่เราสามารถทำได้หากเราพยายามเพิ่มกลุ่มเล็ก ๆ บนพื้นผิว นี่คือทิศทางการวิจัยใหม่เราตื่นเต้นมาก"