Ett team av forskare från University of Minnesota har övervunnit ett stort hinder i strävan att designa en specialiserad typ av molekylsikt som kan göra produktionen av bensin, plaster och olika kemikalier mer kostnadseffektiva och energieffektiva. Den banbrytande forskningen, ledd av professor i kemiteknik och materialvetenskap Michael Tsapatsis vid universitetets College of Science and Engineering, publiceras i det senaste numret av tidskriften Vetenskap .
Efter mer än ett decennium av forskning, teamet tog fram ett sätt att utveckla fristående, ultratunna zeolit nanoskivor som lika tunna filmer kan påskynda filtreringsprocessen och kräver mindre energi. Teamet har ett provisoriskt patent och hoppas kunna kommersialisera tekniken.
"Förutom forskning om nya förnybara bränslen, kemikalier och naturliga plaster, vi måste också titta på produktionsprocesserna för dessa och andra produkter vi använder nu och försöka hitta sätt att spara energi, sa Tsapatsis.
Att separera blandade ämnen kan kräva avsevärda mängder energi – som för närvarande uppskattas till cirka 15 procent av den totala energiförbrukningen – varav en del går till spillo på grund av processineffektivitet. I dagar av rikligt och billigt bränsle, detta var inte ett viktigt övervägande när man utformade industriella separationsprocesser såsom destillation för att rena bensin och polymerprekursorer. Men när energipriserna stiger och politik främjar effektivitet, behovet av mer energieffektiva alternativ har ökat.
Ett lovande alternativ för mer energieffektiva separationer är högupplöst molekylseparation med membran. De är baserade på föredragen adsorption och/eller siktning av molekyler med små skillnader i storlek och form. Bland kandidaterna för selektiva separationsmembran, Zeolitmaterial (kristaller med porer i molekylstorlek) är särskilt lovande.
Medan zeoliter har använts som adsorbenter och katalysatorer i flera decennier, det har funnits stora utmaningar med att bearbeta zeolitmaterial till förlängda ark som förblir intakta. För att möjliggöra energibesparande teknik, forskare behövs för att utveckla kostnadseffektiva, pålitliga och skalbara avsättningsmetoder för tunnfilmszeolitbildning.
Teamet från University of Minnesota använde ljudvågor i en specialiserad centrifugeringsprocess för att utveckla "mattor" av nanoskivor av flagnande kristalltyp som inte bara är platta, men har precis lagom tjocklek. Den resulterande produkten kan användas för att separera molekyler som en sikt eller som en membranbarriär i både forskning och industriella tillämpningar.
"Vi tror att denna upptäckt har ett stort lovande i kommersiella tillämpningar, sa Kumar Varoon, en Ph.D. i kemiteknik och materialvetenskap vid University of Minnesota. kandidat och en av huvudförfattarna till artikeln publicerad i Science. "Det här materialet har bra täckning och är mycket tunt. Det kan avsevärt minska produktionskostnaderna i raffinaderier och spara energi."