Proces szybkiej obróbki termicznej poprawia wydajność zeolitowych membran

Proces szybkiej obróbki termicznej poprawia wydajność zeolitowych membran

Inżynierowie z University of Minnesota opracowali metodę tworzenia membran zeolitowych, która może wpłynąć na poprawę sprawności energetycznej procesów rozdzielania chemicznego, a w konsekwencji przyczynić się do zwiększenia produktywności.

Kierowany przez Michaela Tsapatsisa zespół inżynierów chemików z University of Minnesota opracował metodę szybkiej obróbki termicznej pozwalającą usuwać strukturalne defekty membran zeolitowych, które wpływają na obniżenie ich wydajności.

„Wykorzystanie membran w miejsce energochłonnych procesów, jak destylacja, czy krystalizacja miałoby na przemysł ogromny wpływ.” – stwierdziła Rosemarie Wesson z amerykańskiej National Science Foundation (NSF).Odkrycie to mogłoby wpłynąć na zwiększenie efektywności produkcji ważnych chemicznych rozpuszczalników, jak ksylen, czy odnawialnych biopaliw, jak etanol, czy butanol.

Naukowcy tworzą zeolitowe membrany hodując kryształową powłokę z dodatkiem małych jonów organicznych, które pomagają określić, które molekuły mogą przedostawać się przez materiał. Następnie powoli ogrzewają zeolitową powłokę w ramach procesu nazywanego kalcynacją tak, by oddzielić jony i otworzyć pory.

„Jednakże ta metoda tworzenia zeolitowych powłok często pozostawia pęknięcia na łączeniach poszczególnych kryształów zeolitu.” – powiedział Tsapatsis. Defekty te uniemożliwiają efektywne wykorzystywanie membran, gdyż przepuszczają one poprzez pęknięcia również te cząsteczki, które powinny zostać wychwycone. „Naprawa tych defektów jest możliwa, jednakże proces ten jest trudny i kosztowny.” – powiedziała Wesson.

Istniejące zeolitowe membrany znajdują zastosowanie wyłącznie w specjalistycznych aplikacjach na małą skalę, jak choćby usuwanie wody z alkoholi, czy innych rozpuszczalników. W celu zminimalizowania ilości powstających pęknięć i innych defektów, ogrzewanie podczas kalcynacji odbywa się bardzo powoli i delikatnie. Sam ten proces trwa około 40 godzin. Normalnie materiał ogrzewany jest w tempie jednego stopnia Celsjusza na minutę do temperatury nawet 500 stopni Celsjusza. Następnie temperatura ta jest utrzymywana przez kilka godzin zanim materiał zostanie poddany powolnemu studzeniu.

Ponieważ konwencjonalna kalcynacja jest czaso- i energochłonna, produkcja membran zeolitowych na dużą skalę jest trudna i droga.

Zespół Tsapatsisa opracował więc metodę nazywaną Szybka Obróbką Termalną (RTP), w której powłoka zeolitowa ogrzewana jest do temperatury 700 stopni Celsjusza w jedną minutę, a następnie utrzymywana w tej temperaturze przez niecałe dwie minuty. Działając jak wyżarzanie, metoda RTP oczyszcza strukturę powłoki zeolitowej.

Gdy naukowcy przebadali powłoki poddane metodzie RTP, nie znaleźli śladów uszkodzeń pogarszających wydajność membrany. „Zaobserwowaliśmy w przypadku membran poddawanych RTP dramatyczną poprawę wydajności oddzielania.” – powiedział Tsapatsis.

Kolejna runda obróbki RTP jeszcze bardziej poprawia wydajność oddzielania, zapewniając wynik niedostępny żadnej innej metodzie stosowanej w przemyśle.

Naukowcy zademonstrowali proces RTP na względnie grubej (kilka mikrometrów) membranie zeolitowej. Obecnie pracują oni nad dziesięciokrotnym, a nawet stukrotnym odchudzeniem membran, by cząsteczki mogły przenikać przez nie szybciej.

(lk)