Un material de filtrado innovador pronto puede reducir el costo ambiental de la fabricación de plástico. Creado por un equipo que incluye científicos del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST), el avance puede extraer el ingrediente clave en la forma más común de plástico a partir de una mezcla de otros productos químicos, mientras consume mucha menos energía de lo habitual.

El material es una estructura organometálica (MOF), una clase de sustancias que han demostrado repetidamente su talento para separar los hidrocarburos individuales de la sopa de moléculas orgánicas producidas por los procesos de refinación del petróleo. Los MOF tienen un valor inmenso para las industrias del plástico y el petróleo debido a esta capacidad, lo que podría permitir a los fabricantes realizar estas separaciones a un precio mucho más económico que las técnicas estándar de refinamiento de petróleo.

Esta promesa ha hecho que los MOF sean objeto de un intenso estudio en el NIST y en otros lugares. conduciendo a MOF que pueden separar diferentes octanos de gasolina y acelerar reacciones químicas complejas. Un objetivo importante ha resultado difícil de alcanzar, sin embargo:un método industrialmente preferido para exprimir el etileno, la molécula necesaria para crear polietileno, el plástico que se utiliza para fabricar bolsas de la compra y otros envases cotidianos.

Sin embargo, en el número de hoy de la revista Ciencias , el equipo de investigación revela que una modificación de un MOF bien estudiado le permite separar el etileno purificado de una mezcla con etano. La creación del equipo, construida en la Universidad de Texas en San Antonio (UTSA) y la Universidad de Tecnología de Taiyuan de China y estudiada en el Centro NIST para la Investigación de Neutrones (NCNR), representa un gran paso adelante para el campo.

Hacer plástico requiere mucha energía. Polietileno, el tipo de plástico más común, está construido a partir de etileno, una de las muchas moléculas de hidrocarburos que se encuentran en la refinación de petróleo crudo. El etileno debe estar altamente purificado para que funcione el proceso de fabricación. pero la tecnología industrial actual para separar el etileno de todos los demás hidrocarburos es un proceso frío pero de alta energía que enfría el crudo a más de 100 grados bajo cero Celsius.

El etileno y el etano constituyen la mayor parte de los hidrocarburos de la mezcla, y separar estos dos es, con mucho, el paso más intensivo en energía. Encontrar un método alternativo de separación reduciría la energía necesaria para producir los 170 millones de toneladas de etileno que se fabrican en todo el mundo cada año.

Los científicos han estado buscando un método alternativo durante años, y los MOF parecen prometedores. A nivel microscópico, se parecen un poco a un rascacielos a medio construir de vigas y sin paredes. Las vigas tienen superficies a las que ciertas moléculas de hidrocarburos se adhieren firmemente, por lo que verter una mezcla de dos hidrocarburos a través del MOF correcto puede extraer un tipo de molécula de la mezcla, dejando que el otro hidrocarburo emerja en forma pura.

El truco consiste en crear un MOF que permita el paso del etileno. Para la industria del plástico, este ha sido el punto de fricción.

"Es muy difícil de hacer, "dijo Wei Zhou, científico de la NCNR. "La mayoría de los MOF que se han estudiado se adhieren al etileno en lugar del etano. Algunos de ellos incluso han demostrado una excelente separación

rendimiento, adsorbiendo selectivamente el etileno. Pero desde una perspectiva industrial, preferiría hacer lo contrario si fuera posible. Desea absorber el subproducto de etano y dejar pasar el etileno ".

El equipo de investigación pasó años tratando de resolver el problema. En 2012, otro equipo de investigación que trabajó en el NCNR descubrió que un marco particular llamado MOF-74 era bueno para separar una variedad de hidrocarburos, incluido el etileno. Parecía un buen punto de partida, y los miembros del equipo examinaron la literatura científica en busca de inspiración adicional. Una idea tomada de la bioquímica finalmente los envió en la dirección correcta.

"Un gran tema en química es encontrar formas de romper el fuerte vínculo que se forma entre el carbono y el hidrógeno, "dijo el profesor de UTSA Banglin Chen, quien lideró el equipo. "Hacer eso le permite crear una gran cantidad de materiales nuevos y valiosos. Encontramos investigaciones anteriores que demostraron que los compuestos que contienen peróxido de hierro podrían romper ese enlace".

El equipo razonó que para romper el enlace en una molécula de hidrocarburo, el compuesto tendría que atraer a la molécula en primer lugar. Cuando modificaron las paredes de MOF-74 para contener una estructura similar al compuesto, resultó que la molécula que atrajo de su mezcla fue etano.

El equipo llevó el MOF al NCNR para explorar su estructura atómica. Usando una técnica llamada difracción de neutrones, determinaron qué parte de la superficie del MOF atrae al etano, una pieza clave de información para explicar por qué su innovación tuvo éxito allí donde otros esfuerzos no fueron suficientes.

"Sin la comprensión fundamental del mecanismo, nadie creería nuestros resultados, ", Dijo Chen." También pensamos que podemos intentar agregar otros grupos pequeños a la superficie, tal vez haga otras cosas. Es una dirección de investigación completamente nueva y estamos muy entusiasmados ".

Si bien Zhou dijo que el MOF modificado del equipo funciona de manera eficiente, puede requerir algún desarrollo adicional para ver acción en una refinería.

"Demostramos que esta ruta es prometedora, "Zhou dijo, "pero no estamos afirmando que nuestros materiales funcionen tan bien que no puedan mejorarse. Nuestro objetivo futuro es aumentar drásticamente su selectividad. Vale la pena seguir adelante".