Bensinindustrin inser vikten av para-xylen, med tanke på dess många användningsområden i vardagsprodukter, från plastflaskor med läsk till polyesterfiber.

Utmaningen är att xylener reser i treor och är praktiskt taget identiska, vilket gör det extremt svårt att effektivt separera och rena para-xylen från sina mindre använda syskon som orto-xylen. Dessa molekylers storlek skiljer sig med en tiondels nanometer. Dock, membran med små porer konstruerade för att differentiera dessa molekyler kan möjligen möjliggöra denna viktiga separation.

Bygger på långsiktig forskning med ExxonMobil, forskare vid Georgia Institute of Technology har avslöjat nya insikter i tillverkningen av kolmembran som har potential att driva betydande kostnadsbesparingar när lösningen för xylenisoleringsseparation är skalad för industriell användning.

Fynden rapporterades den 6 september, 2021 års nummer av Förfaranden från National Academy of Sciences .

Arbetet fokuserar på "kolbaserade molekylsiktar, "tillverkad genom att värma upp tunna lager av material på ett sådant sätt att alla atomer utom kol drivs bort, vilket resulterar i ett kolliknande ämne som har hål i molekylstorlek. Under 2016 visade forskare vid Georgia Tech och Exxon Mobil först att ett nytt kolbaserat molekylsilmembran framgångsrikt kunde separera xylenmolekyler och extrahera den superanvändbara para-xylenen från förpackningen.

Nu, Georgia Tech har avancerat detta arbete, utveckla förbättrade kolbarriärer som gör att den smalare p-xylenen kan glida igenom snabbare, samtidigt som de avvisar de bredare molekylerna. Viktigt, laget upptäckte ett kraftfullt samband mellan kolens bindningskemi och xylenernas rörlighet genom kolmembranen.

Prestandan hos kolmembranen – om de realiseras i industriell skala – skulle kunna sänka energikostnaderna avsevärt jämfört med raffineringsprocesser som den vanliga kristallisationsmetoden eller den adsorptionsbaserade metoden. Det förra tillvägagångssättet innebär frysning av xylenmolekylerna där endast para-xylenen bildar kristaller, gör det lätt att isolera, men kräver betydande energiinvesteringar. Det senare tillvägagångssättet minskar energiförbrukningen jämfört med kristallisering men kräver dyr och komplex utrustning för att fungera. Problemet med membran, enligt Georgia Tech forskare, har tillvägagångssättet bara fungerat bra i labbmiljön, inte i en industriell miljö.

"Vi har gjort mer stabila material genom att ändra polymerprekursorn vi använder. Sedan genom att ändra hur vi omvandlar polymeren till kol, vi har gjort membranen mer produktiva, "sa Ryan Lively, en docent vid Georgia Techs School of Chemical &Biomolecular Engineering och tidningens motsvarande författare.

Hur mycket mer produktivt? Teamet har visat att de nya materialen kan leda till reningssystem som uppskattas vara "tre till sex gånger lägre kostnad än andra toppmoderna metoder, sa Lively.

Livliga uppskattningar att separation och rening står för ungefär hälften av den energi som förbrukas vid produktion av råvarukemikalier och bränslen. Globalt, mängden energi som används i konventionella separationsprocesser för aromater, till exempel, bensen toluen, är lika med den som produceras av cirka 20 medelstora kraftverk.

Detta framsteg kan ha en stor inverkan på bensinkemisk energiförbrukning. Forskningen finansierades av ExxonMobil och bygger på mer än 15 års forskningssamarbete mellan Georgia Tech och den globala olje- och gasledaren.

"Genom samarbete med starka akademiska institutioner som Georgia Tech, vi utforskar ständigt nya, effektivare sätt att producera energi, kemikalier, och andra produkter som konsumenter runt om i världen litar på varje dag, "sa Vijay Swarup, vice vd för forskning och utveckling på ExxonMobil Research and Engineering Company.

Georgia Tech-forskarna upptäckte också nya insikter om själva kolstrukturen. Teamet observerade att subtila förändringar i förhållandet mellan tredimensionella och tvådimensionella kolcentraler i membranet ledde till imponerande stora förändringar i rörligheten för xylenisotermer inom det materialet. De observerade att en förändring i detta förhållande (sp3/sp2-kolförhållandet) från 0,2 till 0,7 ledde till en faktor på 1000 ökning i membranets produktivitet. Förvånande, membranet bibehöll i stort sett sin selektivitet, eller dess förmåga att göra xylenisomerseparationen, trots dessa förändringar i kolstrukturen.

"Ju fler tredimensionella kol som finns där, ju högre produktivitet, sa M.G. Finn, professor och ordförande för Georgia Techs School of Chemistry and Biochemistry och medförfattare till artikeln. "Ju mer du höjer produktiviteten, samtidigt som man bibehåller samma selektivitet, desto mindre membran behöver du för att hantera samma mängd xylenmatning. Ur ett designperspektiv, det visar att du har denna enorma kontroll över hur membranet fungerar genom att göra mycket små förändringar i kolets kemi, " avslutade Finn.