p A indústria do petróleo reconhece a importância do para-xileno, devido a seus muitos usos em produtos de uso diário, de garrafas de refrigerante de plástico a fibra de poliéster. p O desafio é que os xilenos viajam em grupos de três e são virtualmente idênticos, tornando extremamente difícil separar e purificar o para-xileno com eficiência de seus irmãos menos usados, como o orto-xileno. O tamanho dessas moléculas difere em um décimo de nanômetro. Contudo, membranas com minúsculos poros projetados para diferenciar essas moléculas podem permitir essa importante separação.

p Com base em pesquisas de longo prazo com a ExxonMobil, pesquisadores do Georgia Institute of Technology descobriram novos insights sobre a fabricação de membranas de carbono que têm o potencial de gerar economias de custo significativas, uma vez que a solução para separação de isolamento de xileno seja dimensionada para uso industrial.

p As descobertas foram relatadas em 6 de setembro, Edição de 2021 do Proceedings of the National Academy of Sciences .

p O trabalho se concentra em "peneiras moleculares à base de carbono, "feito pelo aquecimento de finas camadas de materiais de forma a expulsar todos os átomos, exceto o carbono, resultando em uma substância semelhante ao carvão que possui buracos do tamanho de uma molécula. Em 2016, pesquisadores da Georgia Tech e Exxon Mobil demonstraram pela primeira vez que uma nova membrana de peneira molecular baseada em carbono poderia separar com sucesso as moléculas de xileno e extrair o para-xileno superutil da embalagem.

p Agora, Georgia Tech avançou neste trabalho, conceber barreiras de carbono aprimoradas que permitem que o p-xileno mais fino deslize mais rapidamente, ao rejeitar as moléculas mais largas. Mais importante, a equipe descobriu uma relação poderosa entre a química de ligação dos carbonos e a mobilidade dos xilenos através das membranas de carbono.

p O desempenho das membranas de carbono - se realizado em escala industrial - poderia reduzir significativamente os custos de energia em comparação com os processos de refino, como o método de cristalização padrão ou o método baseado em adsorção. A primeira abordagem envolve o congelamento das moléculas de xileno nas quais apenas o para-xileno forma cristais, tornando mais fácil isolar, mas requer um investimento substancial em energia. A última abordagem reduz o consumo de energia em comparação com a cristalização, mas requer equipamentos caros e complexos para operar. O problema com membranas, de acordo com pesquisadores da Georgia Tech, é que a abordagem só funcionou bem no ambiente de laboratório, não em um ambiente industrial.

p "Tornamos materiais mais estáveis ​​mudando o precursor de polímero que usamos. Depois, mudando a forma como transformamos o polímero em carbono, tornamos as membranas mais produtivas, "disse Ryan Lively, professor associado da Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech e autor correspondente do artigo.

p Quão mais produtivo? A equipe mostrou que os novos materiais podem levar a sistemas de purificação que são estimados em "custo três a seis vezes menor do que outros métodos de última geração, "Disse Lively.

p A Lively estima que a separação e a purificação respondem por cerca de metade da energia consumida na produção de combustíveis e produtos químicos básicos. Globalmente, a quantidade de energia usada em processos convencionais de separação de aromáticos, por exemplo, benzeno tolueno, é igual ao produzido por cerca de 20 usinas de tamanho médio.

p Este avanço pode ter um grande impacto no consumo de energia química da gasolina. A pesquisa foi financiada pela ExxonMobil e se baseia em mais de 15 anos de esforço de pesquisa colaborativa entre a Georgia Tech e o líder global de petróleo e gás.

p "Por meio da colaboração com instituições acadêmicas fortes como a Georgia Tech, estamos constantemente explorando novos, maneiras mais eficientes de produzir energia, produtos químicos, e outros produtos em que os consumidores em todo o mundo confiam todos os dias, "disse Vijay Swarup, vice-presidente de pesquisa e desenvolvimento da ExxonMobil Research and Engineering Company.

p Os pesquisadores da Georgia Tech também descobriram novos insights sobre a própria estrutura do carbono. A equipe observou que mudanças sutis na proporção de centros de carbono tridimensionais para bidimensionais na membrana levaram a mudanças impressionantemente grandes na mobilidade das isotermas de xileno dentro desse material. Eles observaram que uma mudança nesta razão (a razão sp3 / sp2 carbono) de 0,2 para 0,7 levou a um fator de aumento de 1000 na produtividade da membrana. Surpreendentemente, a membrana manteve amplamente sua seletividade, ou sua capacidade de fazer a separação do isômero xileno, apesar dessas mudanças na estrutura do carbono.

p "Quanto mais carbonos tridimensionais existem, quanto maior a produtividade, "disse M.G. Finn, professor e presidente da Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech e co-autor correspondente no artigo. "Quanto mais você aumenta a produtividade, mantendo a mesma seletividade, menos membrana você precisa para lidar com a mesma quantidade de alimentação de xileno. Do ponto de vista do design, isso mostra que você tem esse enorme controle sobre como a membrana funciona, fazendo mudanças muito pequenas na química do carbono, "Finn concluiu.