Хіміки з Іспанії і США синтезували цеолітний матеріал, який по-різному пропускає молекули етана і етилену, і показали, що з його допомогою можна ефективно очищати етилен від органічних домішок. Стаття дослідників опублікована в.
Етилен (C2H4) є одним з основних компонентів при промисловому синтезі багатьох хімічних препаратів і полімерів, таких як поліетилен, дихлоретан, етиленгліколь, стирол і етиловий спирт. Щорічно виробляється близько 150 тонн етилену, при цьому більшу частину речовини отримують за допомогою парового крекінгу та зрідження газу.
При такому способі виробництва етилен виявляється забруднений іншими вуглеводнями (в основному етаном), тому його очищають за допомогою кріогенної дистиляції. Цей процес використовує той факт, що різні вуглеводні переходять з газоподібного стану в рідке при різних температурах, і при поступовому охолодженні суміші газів в першу чергу з неї випадають речовини з більш високою температурою кипіння. На жаль, енергетичні витрати на дистиляцію дуже високі (приблизно 0,3 відсотка від загальносвітового споживання електроенергії). У цій роботі вчені пропонують набагато менш енерговитратний спосіб очищення етилену від домішок.
Для цього хіміки запропонували використовувати розроблений ними матеріал ITQ-55, що складається в основному з атомів кисню і кремнію і має пористу цеолітну структуру. Розмір комірок і кристалічна решітка були підібрані таким чином, щоб швидкості поглинання матеріалом молекул етана і етилену відрізнялися. Грубо кажучи, дрібніші молекули етилену C2H4 добре пролазять у пори кристалічної решітки, а молекули етану C2H6, які трохи більше через два додаткові атоми водню, проникають у неї насилу. Через це цеоліт набагато краще пропускає крізь себе етилен, ніж етан (принаймні, до тих пір, поки більша частина комірок не буде заповнена молекулами етилену). Оптимальну структуру матеріалу хіміки знайшли чисельно за допомогою теорії функціонал щільності (DFT),
Потім вчені синтезували матеріал, поміщаючи складну органічну речовину в лужне середовище і додаючи аніони фтору F - для запуску змін у діоксиді кремнію. Кристалічну структуру речовини, що утворилася, вчені досліджували методом порошкової рентгенівської дифракції і програми TREOR, що відновлює структуру з експериментальних даних. Виявилося, що параметри решітки синтезованої речовини збігаються зі знайденими теоретичними значеннями, що відповідають цеоліту ITQ-55.
Потім вчені перевірили, наскільки добре розроблений ними матеріал відокремлює етан від етилену. Для цього вони помістили в адсорбційну колону, заповнену гелієм, 1100 міліграм ITQ-55 і почали продувати через неї суміш етилену та етана. Швидкість продування дорівнювала десяти кубічним сантиметрам на хвилину, тиск становив 8,5 бар, а температура - 50 градусів Цельсія. Спочатку цеолітний матеріал пропускав крізь себе молекули етану і активно поглинав молекули етилену, концентрація етану в колоні швидко зростала і через вісім хвилин досягла майже ста відсотків. Однак незабаром після досягнення максимуму ITQ-55 повністю наситився, і етилен почав прориватися крізь нього. Через 16 хвилин концентрації газів у колоні практично зрівнялися.
Таким чином, експеримент показав, що за допомогою ITQ-55 дійсно можна ефективно відокремлювати етан з суміші етана і етилену (якщо припинити продування в момент найбільшого насичення цеоліту). За словами вчених, селективність процесу очищення за допомогою знайденої ними речовини досягає ста і може бути надалі підвищена до трьохсот, тоді як селективність звичайних методів коливається від десяти до тринадцяти.
Раніше ми писали про те, як вчені очистили воду від хлористих домішок за допомогою цеоліту ZSM-5. Також нещодавно фізики змоделювали лід незвично низької щільності, відштовхуючись від пористої цеолітної структури.