31.08.2020 - National University of Singapore

Acetylenabscheidung mit außergewöhnlicher Selektivität und Robustheit

Metallorganische, hoch mikroporöse Gerüstverbindung zur Trennung von Acetylen und Ethylen

Ethylen ist für die chemische Industrie ein wichtiger Ausgangsstoff, enthält aber oft Spuren von Acetylen als Verunreinigung, die vollständig entfernt werden müssen. In der Zeitschrift Angewandte Chemie beschreiben Forscher eine robuste und regenerierbare metallorganische Gerüstverbindung, die Acetylen außerordentlich wirksam und selektiv entfernen kann. Die Kombination aus Porengröße und chemischen Andockstellen macht das Material besonders wirksam, heißt es in der Studie.

Ethylen ist die wichtigste chemische Vorstufe für Ethanol und Polyethylen und wird hauptsächlich durch Crackverfahren bei der Erdölraffination hergestellt. Obwohl die Ethylenfraktion normalerweise sehr rein ist (mehr als 99%), können verbleibende Spuren von Acetylen die Katalysatoren bei der weiteren Ethylenverarbeitung vergiften.

Ethylen und Acetylen sind sich sehr ähnlich und unterscheiden sich nur in der Anzahl der Wasserstoffatome – von denen bei Ethylen vier, bei Acetylen zwei an zwei Kohlenstoffatome gebunden sind. Wegen der großen Ähnlichkeit sind beide Gase schwer zu trennen. Die derzeitigen industriell angewandten Destillationsprozesse verbrauchen enorme Mengen an Energie.

Kohlenwasserstoffe binden jedoch unter anderem an porenhaltige Materialien, die metallorganische Gerüstverbindungen (MOFs) genannt werden und aus Metallionen und organischen Verbindungsstücken aufgebaut sind. MOFs enthalten Poren und können mit chemischen Andockstellen so ausgestattet werden, dass sie bei normalen Umgebungsbedingungen Moleküle aus einem Gasstrom entziehen. Für die Trennung von Ethylen und Acetylen verlangt die Industrie jedoch robuste, regenerierbare, hochselektive und billige Materialien, die bisher nicht gefunden wurden.

Dan Zhao und seine Kollegen von der National University of Singapore haben jetzt ein MOF speziell für die Acetylenabscheidung entwickelt, das die Anforderungen an außergewöhnliche Selektivität und Robustheit erfüllen kann. Die Wissenschaftler konzentrierten sich auf ein bekanntes, nickelhaltiges MOF, dessen Nickelzentren sie als Teil der Poren aktivierten und damit für die Bindung zweier Gastmoleküle auf einmal „öffneten“.

Darüber hinaus passten die Wissenschaftler die Porengrößen des MOF so an, dass nur sehr kleine Gasmoleküle eindringen konnten und belegten die Porenwände mit chemischen Gruppen, die durch ihre stärkere elektrostatische und chemische Wechselwirkung Acetylen stärker binden als Ethylen.

Durch die Kombination von kleinen Poren, offenen Nickelzentren und Andockpositionen speziell für Acetylen stellten die Wissenschaftler ein außerordentlich selektives, robustes, stabiles und auch regenerierbares Ni-MOF her, das sie Ni3(pzdc)2(7Hade)2 nannten Das Ni-MOF reinigte das Ethylengas noch einmal um das Tausendfache, und auch nach mehrfacher Wiederverwendung blieb die Selektivität in einem großen Druckbereich stabil. Darüber hinaus lässt sich das Ni-MOF nach einem Standard-Hydrothermalverfahren herstellen, heißt es in der Studie.

Die Autoren betonen, dass die Synergie von Größe und Geometrie der Poren mit chemischer Wechselwirkung noch nicht ausgeschöpft ist und noch effektivere Trennungen möglich sind. Das ist für industrielle Anwendungen interessant.

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