Метал-органічний каркас очистив етилен від 99,99 відсотків домішок всього за один цикл
Хіміки з Китаю та Нідерландів виявили метал-органічний каркас, який поглинає молекули етану, але пропускає молекули етилену, і показали, що з його допомогою можна довести чистоту етилену до 99,99 відсотків всього за один цикл фільтрації. У майбутньому робота вчених допоможе створити дешевий і ефективний промисловий фільтр для очищення етилену. Стаття опублікована в.
Етилен C2H4 - це найбільш вироблена органічна речовина в світі, він використовується в промисловому синтезі таких хімічних препаратів, як поліетилен, дихлоретан, етиленгліколь, стирол і етиловий спирт. У 2016 році в світі було вироблено понад 170 мільйонів тонн етилену. В основному етилен отримують в результаті парового крекінгу або теплового розкладання рідких дистилятів нафти або нижчих насичених вуглеводнів (наприклад, етана C2H6). Грубо кажучи, в результаті цих процесів молекули розриваються на частини і втрачають молекули водню. На жаль, паралельно з етиленом у цих процесах проводиться велика кількість інших органічних сполук - наприклад, при паровому крекінгу етану вихід етилену становить приблизно 50 відсотків, а в інших процесах він ще нижчий. З іншого боку, щоб етилен полімеризувався, він повинен містити не більше 0,05 відсотків домішок, тому промисловий етилен потрібно додатково очищати на виробництві.
На жаль, в даний час етилен очищають за допомогою кріогенної дистиляції - одного з найдорожчих і енергозатратних процесів хімічної промисловості. Під час цього процесу суміш газів поступово охолоджується і зріджується - а оскільки різні органічні речовини мають різні температури кипіння, вони випадають з суміші в різний час. Тим не менш, процес кріогенної дистиляції істотно ускладнює той факт, що летючість і розмір молекул етилену практично збігаються з параметрами етану, а тому розділити ці два газу досить складно. Щоб досягти потрібного ступеня очищення, інженерам доводиться використовувати великі ректифікаційні колони, що містять від 120 до 180 тарілок. Тому вчені намагаються спростити і здешевити цей процес, розробляючи фільтри для очищення етилену від домішок етана.
За останні кілька років хіміки розробили кілька таких фільтрів, проте всі вони були засновані на різниці між розмірами молекул етана і етилену (молекули етана більше) і працювали за однією і тією ж схемою. На першому етапі такий фільтр продувають сумішшю газів, він пропускає молекули етана, але поглинають молекули етилену (оскільки вони застрягають у його комірках). Потім фільтр насичується, його дістають з суміші газів і очищають від молекул етилену. Це незручно, оскільки процес доводиться повторювати кілька разів, щоб отримати велику кількість етилену, придатного для синтезу полімерів. Крім того, таке очищення витрачає велику кількість енергії (хоча і менше, ніж при кріогенній дистиляції).
Група хіміків під керівництвом Баньліня Ченя (Banglin Chen) вирішила цю проблему, виявивши метал-органічний каркас, який володіє зворотними властивостями - поглинає молекули етану, але пропускає молекули етилену. За допомогою такого фільтра можна відсіяти з етилену близько 99,99 відсотків молекул етану за один-єдиний цикл фільтрації. Як фільтруючий матеріал вчені вибрали Fe2 (O2) (dobdc) (скорочення від 2,5-діоксид-1,4-бензенедикарбоксилата пероксиду заліза (III)), вперше синтезований 2011 року групою вчених під керівництвом Еріка Блоха. При атмосферному тиску один грам цієї речовини поглинає приблизно 74 кубічних сантиметри етану і 58 кубічних сантиметрів етилену. При зниженому тиску ця різниця посилюється ще більше. Протягом 20 циклів абсорбції-десорбції властивості матеріалу практично не змінилися.
Щоб пояснити ці незвичайні властивості, вчені вивчили за допомогою методу порошкової рентгенівської дифракції будову молекули Fe2 (O2) (dobdc), що приєдналася до молекули етана або етилену. У цьому методі речовина стирається в дрібний порошок, а потім просвічується рентгенівськими променями - при цьому кожна з частинок, повернута випадковим чином, виступає в ролі дифракційної решітки для променів, і на екрані утворюється дифракційна картина, за піками якої можна судити про будову речовини. У результаті вчені з'ясували, що довжина зв'язку між молекулами кисню і молекулами водню в етані приблизно дорівнює 2,2 ангстрема, що значно менше сумарної довжини радіусів Ван дер Ваальса для молекул кисню (1,5 ангстрема) і водню (1,2 ангстрема). Це вказує на відносно сильну взаємодію між молекулами етана і Fe2 (O2) (dobdc). Крім того, хіміки виявили, що тривимірна молекула C2H6 набагато краще вбудовується в нерівну поверхню молекули Fe2 (O2) (dobdc), ніж плоска молекула C2H4. Це пояснює, чому матеріал поглинає етан краще етилену. Отримані якісні результати вчені підтвердили за допомогою чисельного моделювання в рамках теорії функціоналу щільності.
Потім хіміки перевірили роботу нового матеріалу за допомогою саморобної установки, описаної в попередніх роботах колективу [32]. Як приклад вчені пропускали через установку три суміші газів: етилен і етан у співвідношенні 50/50 або 90/10, а також суміш етилену, етану, метану, ацетилену і водню у співвідношенні 87/10/1/1/1. Остання суміш була найбільше наближена до умов реальної фільтрації. Швидкість потоку становила 5 мілілітрів на хвилину, а температура установки була приблизно дорівнює 298 кельвінам. В дослідах з етаном вчені довели чистоту етилену до 99,99 відсотків, а в дослідах зі складною сумішшю - до 99 відсотків всього за один цикл фільтрації. При цьому десорбувати етилен після очищення не потрібно. Тому автори статті сподіваються, що їх розробка допоможе створити дешеві та ефективні промислові фільтри для очищення етилену, а можливо, метод навіть буде застосовуватися на практиці.
У листопаді минулого року хіміки з Іспанії і США розробили цеолітний матеріал, який очищає етилен від домішок етана. Для цього вчені чисельно змоделювали матеріал і так підібрали розмір і форму його комірок, щоб він поглинав молекули етилену, але не пропускав молекули етана. Після цього дослідники синтезували матеріал і довели його працездатність на практиці.
Тим не менш, набагато частіше вчені розробляють фільтри для очищення води, оскільки їм легше знайти практичне застосування. Наприклад, у грудні 2015 року група дослідників з Корнуельського університету «допрацювала» структуру бета-циклодекстрина (полімеру на основі глюкози), завдяки чому матеріал збільшив свою питому поверхню і став фільтрувати воду краще активованого вугілля. У січні 2017 року вчені з Іспанії та Німеччини розробили новий універсальний композитний матеріал, який очищає воду від органічних, неорганічних, радіоактивних і бактеріологічних домішок. У липні 2017 року вчені зі США та Великобританії пристосували для фільтрації води вуглецеві нанотрубки. А в листопаді 2017 хіміки з Університету Манчестера розробили мембрану на основі оксиду графена, яку можна використовувати для очищення алкогольних напоїв - віскі або коньяку.