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Die Kunststoffproduktion energieeffizienter gestalten - mit MOFs

30.10.2018

W. Zhou / NIST

Dieses mit Peroxogruppen ausgestattete metallorganische Gerüst auf Eisenbasis kann Ethan einfangen und gleichzeitig Ethylen passieren lassen, was eine effizientere und kostengünstigere Möglichkeit bietet, Ethylen, den wichtigsten Rohstoff für die Kunststoffherstellung, zu reinigen.

Credit: N. Hanacek/NIST

Ein innovatives Filtermaterial kann bald die Umweltkosten bei der Herstellung von Kunststoffen senken. Der Fortschritt wurde von einem Team bestehend aus Wissenschaftlern des National Institute of Standards and Technology (NIST) entwickelt und kann den Schlüsselbestandteil in der gebräuchlichsten Form von Kunststoff aus einer Mischung anderer Chemikalien extrahieren - bei einem deutlich geringeren Energieverbrauch als sonst.

Bei dem Material handelt es sich um ein metallorganisches Struktursystem (MOF), eine Klasse von Substanzen, die wiederholt ihr Talent bewiesen haben, einzelne Kohlenwasserstoffe aus der Suppe organischer Moleküle, die durch Ölraffinationsprozesse hergestellt werden, zu trennen. MOFs haben aufgrund dieser Fähigkeit einen immensen Wert für die Kunststoff- und Erdölindustrie, der es den Herstellern ermöglichen könnte, diese Trennungen weitaus kostengünstiger durchzuführen als herkömmliche Ölverarbeitungstechniken.

Dieses Versprechen hat MOFs zum Gegenstand intensiver Studien am NIST und anderswo gemacht, was zu MOFs führt, die verschiedene Oktane von Benzin trennen und komplexe chemische Reaktionen beschleunigen können. Ein Hauptziel hat sich jedoch als schwer fassbar erwiesen: eine industriell bevorzugte Methode zum Erhalten von Ethen - das Molekül, das zur Herstellung von Polyethylen benötigt wird, der Kunststoff, aus dem Einkaufstaschen und andere Alltagsbehälter hergestellt werden.

Das Forschungsteam zeigt jedoch, dass eine Modifikation eines gut untersuchten MOF es ihm ermöglicht, gereinigtes Ethylen aus einer Mischung mit Ethan zu trennen. Die Gründung des Teams, das an der University of Texas at San Antonio (UTSA) und der Taiyuan University of Technology in China gebaut und am NIST Center for Neutron Research (NCNR) studiert wurde, stellt einen großen Fortschritt für das Feld dar.

Die Herstellung von Kunststoff benötigt viel Energie. Polyethylen, die gebräuchlichste Art von Kunststoff, wird aus Ethylen hergestellt, einem der vielen Kohlenwasserstoffmoleküle, die in der Rohölraffination vorkommen. Das Ethylen muss für den Herstellungsprozess hochgradig gereinigt werden, aber die aktuelle industrielle Technologie zur Trennung von Ethylen von allen anderen Kohlenwasserstoffen ist ein kühler, aber energiereicher Prozess, der das Rohöl auf mehr als 100 Grad unter Null Celsius abkühlt.

Ethylen und Ethan bilden den größten Teil der Kohlenwasserstoffe im Gemisch, und die Trennung dieser beiden ist bei weitem der energieintensivste Schritt. Die Suche nach einer alternativen Trennmethode würde den Energiebedarf reduzieren, um die 170 Millionen Tonnen Ethylen, die jedes Jahr weltweit hergestellt werden, zu produzieren.

Wissenschaftler suchen seit Jahren nach einer solchen alternativen Methode, und MOFs scheinen vielversprechend. Auf mikroskopischer Ebene sehen sie ein wenig aus wie ein halbgebautes Wolkenkratzer aus Trägern und ohne Wände. Die Träger haben Oberflächen, an denen bestimmte Kohlenwasserstoffmoleküle fest haften bleiben, so dass das Gießen einer Mischung aus zwei Kohlenwasserstoffen durch das rechte MOF eine Art von Molekül aus der Mischung herausziehen kann, so dass der andere Kohlenwasserstoff in reiner Form austritt.

Der Trick ist, ein MOF zu erzeugen, das das Ethylen durchlässt. Für die Kunststoffindustrie war dies der Knackpunkt.

"Es ist sehr schwierig", sagte Wei Zhou, ein Wissenschaftler am NCNR. "Die meisten MOFs, die untersucht wurden, greifen eher zu Ethylen als zu Ethan. Einige von ihnen haben sogar eine ausgezeichnete Trennleistung gezeigt, indem sie das Ethylen selektiv adsorbiert haben. Aber aus industrieller Sicht würden Sie es vorziehen, das Gegenteil zu tun, wenn es möglich ist. Sie wollen das Ethan-Nebenprodukt adsorbieren und das Ethylen durchlassen."

Das Forschungsteam verbrachte Jahre damit, das Problem zu lösen. Im Jahr 2012 fand ein weiteres Forschungsteam, das am NCNR arbeitete, heraus, dass ein bestimmter Rahmen namens MOF-74 gut geeignet war, eine Vielzahl von Kohlenwasserstoffen, einschließlich Ethylen, zu trennen. Es schien ein guter Ausgangspunkt zu sein, und die Teammitglieder durchsuchten die wissenschaftliche Literatur nach zusätzlichen Anregungen. Eine Idee aus der Biochemie brachte sie schließlich in die richtige Richtung.

"Ein großes Thema in der Chemie ist es, Wege zu finden, die starke Bindung zwischen Kohlenstoff und Wasserstoff zu durchbrechen", sagte der UTSA-Professor Banglin Chen, der das Team leitete. "Auf diese Weise können Sie viele wertvolle neue Materialien herstellen. Wir fanden frühere Untersuchungen, die zeigten, dass Verbindungen, die Eisenperoxid enthalten, diese Bindung brechen können."

Das Team argumentierte, dass, um die Bindung in einem Kohlenwasserstoffmolekül zu brechen, die Verbindung das Molekül überhaupt erst anziehen müsste. Als sie die Wände des MOF-74 modifizierten, um eine ähnliche Struktur wie die Verbindung zu enthalten, stellte sich heraus, dass das Molekül, das es aus seiner Mischung anzog, Ethan war.

Das Team brachte das MOF zur NCNR, um seine atomare Struktur zu untersuchen. Mit einer Technik namens Neutronenbeugung bestimmten sie, welcher Teil der Oberfläche des MOF Ethan anzieht - eine wichtige Information, um zu erklären, warum ihre Innovation dort erfolgreich war, wo andere Bemühungen zu kurz gekommen sind.

"Ohne das grundlegende Verständnis des Mechanismus würde niemand unseren Ergebnissen glauben", sagte Chen. "Wir denken auch, dass wir versuchen können, andere kleine Gruppen an die Oberfläche zu bringen, vielleicht andere Dinge zu tun. Es ist eine ganz neue Forschungsrichtung und wir sind sehr begeistert."

Zhou sagte zwar, dass das modifizierte MOF des Teams effizient funktioniert, aber es kann einige zusätzliche Entwicklungen erfordern, um Maßnahmen in einer Raffinerie zu sehen.

"Wir haben bewiesen, dass diese Route vielversprechend ist", sagte Zhou, "aber wir behaupten nicht, dass unsere Materialien so gut funktionieren, dass sie nicht verbessert werden können. Unser zukünftiges Ziel ist es, ihre Selektivität drastisch zu erhöhen. Es lohnt sich, weiterzumachen."

Originalveröffentlichung:

Li, Libo and Lin, Rui-Biao and Krishna, Rajamani and Li, Hao and Xiang, Shengchang and Wu, Hui and Li, Jinping and Zhou, Wei and Chen, Banglin; "Ethane/ethylene separation in a metal-organic framework with iron-peroxo sites"; Science; 2018

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