L'industria petrolifera riconosce l'importanza del paraxilene, visti i suoi molteplici usi nei prodotti di uso quotidiano, dalle bottiglie di plastica per la soda alla fibra di poliestere.

La sfida è che gli xileni viaggiano a tre e sono praticamente identici, rendendo estremamente difficile separare e purificare in modo efficiente il para-xilene dai suoi fratelli meno utilizzati come l'orto-xilene. La dimensione di queste molecole differisce di un decimo di nanometro. Però, membrane con piccoli pori progettate per differenziare queste molecole possono potenzialmente consentire questa importante separazione.

Basandosi sulla ricerca a lungo termine con ExxonMobil, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno scoperto nuove intuizioni sulla fabbricazione di membrane di carbonio che hanno il potenziale per ottenere significativi risparmi sui costi una volta che la soluzione per la separazione dell'isolamento in xilene sarà adattata per l'uso industriale.

I risultati sono stati riportati il ​​6 settembre edizione 2021 del Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze .

Il lavoro si concentra su "setacci molecolari a base di carbonio, " realizzato riscaldando sottili strati di materiali in modo tale da scacciare tutti gli atomi diversi dal carbonio, risultando in una sostanza simile al carbone con fori delle dimensioni di una molecola. Nel 2016 i ricercatori della Georgia Tech e della Exxon Mobil hanno dimostrato per la prima volta che una nuova membrana a setaccio molecolare a base di carbonio potrebbe separare con successo le molecole di xilene ed estrarre il para-xilene super utile dalla confezione.

Ora, Georgia Tech ha portato avanti questo lavoro, ideare barriere al carbonio migliorate che consentano al p-xilene più magro di scivolare più rapidamente, mentre rigetta le molecole più larghe. È importante sottolineare che il team ha scoperto una potente relazione tra la chimica di legame dei carboni e la mobilità degli xileni attraverso le membrane di carbonio.

Le prestazioni delle membrane di carbonio, se realizzate su scala industriale, potrebbero ridurre significativamente i costi energetici rispetto ai processi di raffinazione come il metodo di cristallizzazione standard o il metodo basato sull'adsorbimento. Il primo approccio prevede il congelamento delle molecole di xilene in cui solo il para-xilene forma cristalli, rendendo facile isolare, ma che richiedono un notevole investimento energetico. Quest'ultimo approccio riduce il consumo di energia rispetto alla cristallizzazione, ma richiede apparecchiature costose e complesse per funzionare. Il problema delle membrane secondo i ricercatori della Georgia Tech, è l'approccio ha funzionato bene solo in ambiente di laboratorio, non in un ambiente industriale.

"Abbiamo realizzato materiali più stabili cambiando il precursore del polimero che usiamo. Quindi cambiando il modo in cui trasformiamo il polimero in carbonio, abbiamo reso le membrane più produttive, " ha detto Ryan Lively, professore associato presso la School of Chemical &Biomolecular Engineering della Georgia Tech e autore corrispondente dell'articolo.

Quanto più produttivo? Il team ha dimostrato che i nuovi materiali possono portare a sistemi di purificazione che si stima siano "da tre a sei volte inferiori rispetto ad altri metodi all'avanguardia, " Disse vivace.

Lively stima che la separazione e la purificazione rappresentino circa la metà dell'energia consumata nella produzione di prodotti chimici e combustibili. Globalmente, la quantità di energia utilizzata nei processi di separazione convenzionali per gli aromatici, Per esempio, benzene toluene, è pari a quello prodotto da circa 20 centrali di media taglia.

Questo progresso potrebbe avere un grande impatto sul consumo di energia chimica della benzina. La ricerca è stata finanziata da ExxonMobil e si basa su oltre 15 anni di sforzi di ricerca collaborativa tra Georgia Tech e il leader mondiale del petrolio e del gas.

"Attraverso la collaborazione con solide istituzioni accademiche come Georgia Tech, esploriamo costantemente nuovi, modi più efficienti per produrre energia, sostanze chimiche, e altri prodotti su cui i consumatori di tutto il mondo fanno affidamento ogni giorno, " ha detto Vijay Swarup, vicepresidente della ricerca e sviluppo presso ExxonMobil Research and Engineering Company.

I ricercatori della Georgia Tech hanno anche scoperto nuove intuizioni riguardanti la stessa struttura del carbonio. Il team ha osservato che sottili cambiamenti nel rapporto tra i centri di carbonio tridimensionali e bidimensionali nella membrana hanno portato a cambiamenti straordinariamente grandi nella mobilità delle isoterme dello xilene all'interno di quel materiale. Hanno osservato che un cambiamento di questo rapporto (il rapporto di carbonio sp3/sp2) da 0,2 a 0,7 ha portato a un aumento di 1000 volte la produttività della membrana. Sorprendentemente, la membrana ha mantenuto in gran parte la sua selettività, o la sua capacità di effettuare la separazione dell'isomero di xilene, nonostante questi cambiamenti nella struttura del carbonio.

"Più carboni tridimensionali sono lì dentro, maggiore è la produttività, " disse M.G. Finn, professore e presidente della Scuola di Chimica e Biochimica della Georgia Tech e autore corrispondente dell'articolo. "Più aumenti la produttività, pur mantenendo la stessa selettività, meno membrana è necessaria per gestire la stessa quantità di alimentazione di xilene. Dal punto di vista progettuale, mostra che hai questo enorme controllo su come funziona la membrana apportando piccolissimi cambiamenti nella chimica del carbonio, " ha concluso Finn.