Um material de filtragem inovador pode em breve reduzir o custo ambiental da fabricação de plástico. Criado por uma equipe que inclui cientistas do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST), o avanço pode extrair o ingrediente-chave na forma mais comum de plástico de uma mistura de outros produtos químicos - enquanto consome muito menos energia do que o normal.

O material é uma estrutura metal-orgânica (MOF), uma classe de substâncias que demonstraram repetidamente um talento para separar hidrocarbonetos individuais da sopa de moléculas orgânicas produzida por processos de refino de petróleo. Os MOFs têm um valor imenso para as indústrias de plástico e petróleo por causa dessa capacidade, o que poderia permitir que os fabricantes realizassem essas separações de maneira muito mais barata do que as técnicas padrão de refinamento de petróleo.

Essa promessa tornou os MOFs objeto de intenso estudo no NIST e em outros lugares, levando a MOFs que podem separar diferentes octanos de gasolina e acelerar reações químicas complexas. Um dos principais objetivos se mostrou evasivo, embora:um método industrialmente preferido para espremer o etileno - a molécula necessária para criar o polietileno, o plástico usado para fazer sacolas de compras e outros recipientes de uso diário.

Contudo, na edição de hoje da revista Ciência , a equipe de pesquisa revela que uma modificação em um MOF bem estudado permite separar o etileno purificado de uma mistura com o etano. A criação da equipe - construída na Universidade do Texas em San Antonio (UTSA) e na Universidade de Tecnologia de Taiyuan da China e estudada no NIST Center for Neutron Research (NCNR) - representa um grande passo à frente para o campo.

Fazer plástico consome muita energia. Polietileno, o tipo mais comum de plástico, é construído a partir de etileno, uma das muitas moléculas de hidrocarbonetos encontradas no refino de petróleo bruto. O etileno deve ser altamente purificado para que o processo de fabricação funcione, mas a tecnologia industrial atual para separar o etileno de todos os outros hidrocarbonetos é um processo frio, mas de alta energia, que resfria o petróleo bruto a mais de 100 graus abaixo de zero Celsius.

Etileno e etano constituem a maior parte dos hidrocarbonetos na mistura, e separar esses dois é de longe a etapa que consome mais energia. Encontrar um método alternativo de separação reduziria a energia necessária para produzir 170 milhões de toneladas de etileno fabricadas em todo o mundo a cada ano.

Os cientistas têm procurado esse método alternativo há anos, e os MOFs parecem promissores. Em um nível microscópico, eles se parecem um pouco com um arranha-céu semi-construído com vigas e sem paredes. As vigas têm superfícies nas quais certas moléculas de hidrocarbonetos aderem com firmeza, então, derramar uma mistura de dois hidrocarbonetos através do MOF certo pode puxar um tipo de molécula da mistura, deixando o outro hidrocarboneto emergir na forma pura.

O truque é criar um MOF que permita a passagem do etileno. Para a indústria de plásticos, este tem sido o ponto crítico.

"É muito difícil de fazer, "disse Wei Zhou, um cientista do NCNR. "A maioria dos MOFs que foram estudados agarram-se ao etileno em vez do etano. Alguns deles até demonstraram excelente separação

atuação, adsorvendo seletivamente o etileno. Mas, de uma perspectiva industrial, você prefere fazer o oposto, se possível. Você deseja adsorver o subproduto de etano e deixar o etileno passar. "

A equipe de pesquisa passou anos tentando solucionar o problema. Em 2012, outra equipe de pesquisa que trabalhou no NCNR descobriu que uma estrutura específica chamada MOF-74 era boa para separar uma variedade de hidrocarbonetos, incluindo etileno. Parecia um bom ponto de partida, e os membros da equipe vasculharam a literatura científica em busca de inspiração adicional. Uma ideia tirada da bioquímica finalmente os encaminhou na direção certa.

"Um grande tópico da química é encontrar maneiras de quebrar a forte ligação que se forma entre o carbono e o hidrogênio, "disse o professor Banglin Chen da UTSA, quem liderou a equipe. "Fazer isso permite que você crie muitos novos materiais valiosos. Encontramos pesquisas anteriores que mostraram que compostos contendo peróxido de ferro podem quebrar essa ligação."

A equipe concluiu que, para quebrar a ligação em uma molécula de hidrocarboneto, o composto teria que atrair a molécula em primeiro lugar. Quando eles modificaram as paredes do MOF-74 para conter uma estrutura semelhante ao composto, descobriu-se que a molécula que ele atraiu da mistura era etano.

A equipe trouxe o MOF ao NCNR para explorar sua estrutura atômica. Usando uma técnica chamada difração de nêutrons, eles determinaram que parte da superfície do MOF atrai o etano - uma informação importante para explicar por que sua inovação teve sucesso onde outros esforços falharam.

"Sem a compreensão fundamental do mecanismo, ninguém acreditaria em nossos resultados, "Disse Chen." Também achamos que podemos tentar adicionar outros pequenos grupos à superfície, talvez faça outras coisas. É uma direção de pesquisa totalmente nova e estamos muito animados. "

Embora Zhou tenha dito que o MOF modificado da equipe funciona de maneira eficiente, pode exigir algum desenvolvimento adicional para ver a ação em uma refinaria.

“Provamos que este caminho é promissor, "Zhou disse, "mas não estamos afirmando que nossos materiais têm um desempenho tão bom que não podem ser melhorados. Nosso objetivo futuro é aumentar drasticamente sua seletividade. Vale a pena prosseguir."