Eine bessere Kohlenstoffbilanz für die Petrochemie? Neue, ultradünne Membranen weisen den Weg

Globale Erwärmung, Energieknappheit und schwindende Ressourcen haben gezeigt, wie wichtig es ist, effizientere, nachhaltige und umweltfreundliche Technologien zu entwickeln. Solche Verbesserungen sind insbesondere in energieintensiven Industrien wie dem Sektor für Chemikalien und Petrochemie immens wichtig. Wissenschaftler des EU-finanzierten Forschungsprojekts ENACT haben im Hinblick auf diese Herausforderungen mit der Entwicklung nachhaltiger chemikalischer Technologien große Fortschritte gemacht.

Die meisten Produktionsverfahren in der Petrochemie finden unter extremen Temperaturen statt und verbrauchen hohe Mengen an Energie. Propylen ist eines der Produkte, die durch ein solches Verfahren gewonnen werden; es kommt in Klebstoffen, Fasern, Farben und zahlreichen weiteren Verbraucher- und Industrieprodukten zum Einsatz. Wenn Propylen gereinigt wird, wird es mittels Kryodestillation in einem Verfahren mit hohem Energieverbrauch, bei dem unter anderem die Gase auf ultraniedrige Temperaturen gekühlt werden, von Propan getrennt.

Das Versprechen der MOF

Eine energieeffizientere Alternative ist eine Klasse poröser Polymere, die auch als metall-organische Gerüste oder MOF bezeichnet werden. Diese kristallinen Verbindungen bestehen aus Metallionen, die sich an organische Liganden binden, um 3D-Strukturen zu bilden. Die einzigartigen Eigenschaften von MOF, wie ihre hohe Porosität, großflächige Bereiche und die Diversität der Strukturen, führen dazu, dass sie sich für zahlreiche Industrieverfahren eignen, unter anderem Gasspeicherung, -reinigung und -abscheidung, sowie Katalyse und Erfassungsanwendungen. Außerdem sind sie aufgrund ihrer ausgeprägten Fähigkeiten zur Adsorption von Kohlenstoff und der Tatsache, dass ihre Eigenschaften fein angepasst werden können, vielversprechende Materialien für Anwendungen zur Kohlenstoffabscheidung.

MOF-basierte Membranen sind besonders leistungsfähig, wenn es um die Gasabscheidung geht. Ihre Poren in Nanogröße eignen sich ideal, um Moleküle einzufangen und zugleich andere Substanzen passieren zu lassen. Außergewöhnlich stark in der Trennung von Propylen-Propan-Mischungen ist eine Klasse der MOF namens ZIF-8 (Zeolith-Imidazolat-Rahmen-8). Dieser ultradünne Film ermöglicht es, dass Propylen sich durch seine Poren 125-mal effizienter zerstreut als in anderen Materialien. Darüber hinaus wird das Trennverfahren bei Umgebungstemperaturen von rund 30 °C durchgeführt und verbraucht somit weniger Energie.

Eine neue Wendung für MOF

Bislang mussten komplexe Modifikationen an den porösen Trägermaterialien von ZIF-8-Membranen vorgenommen werden, damit sie für die Trennung von Propylen und Propan wirksam genutzt werden konnten. Vor dem Hintergrund dieser Herausforderung hat das ENACT-Team eine Methode entwickelt, mit der ZIF-8 synthetisch hergestellt werden kann, ohne dass der Träger verändert werden muss. Ihre Methode, die als elektrophoretische Kernanordnung für die Kristallisation von stark verwachsenen Dünnfilmen bezeichnet wird, ist in einem Artikel beschrieben, der in der „Wiley Online Library“ veröffentlicht wurde.

Unter Verwendung dieser neuen Methode haben die Wissenschaftler fehlerfreie, 0,5 μm dicke ZIF-8-Membranen auf verschiedenen, nicht modifizierten Trägern, wie porösem Polyacrylnitril, anodisiertem Aluminiumoxid, Metallfolie, porösem Kohlenstoff und Graphen, künstlich hergestellt. Die Ergebnisse zeigten eine der bislang besten Propylen-Propan-Trennleistungen für MOF-Membranen. Wie die Autoren erklären ist ihr neuartiger Ansatz „geradlinig, reproduzierbar und kann auf eine große Bandbreite nanoporöser Kristalle ausgeweitet werden.“

Anhand von Computersimulationen, Materialsynthese und Experimentalbeschreibungen versucht das ENACT-Projekt (Enhancing sustainable chemical technologies through the synergy of computer simulation and experiment), das Design von Flüssigphasensystemen für chemische Technologien zu optimieren. Das übergeordnete Ziel des Projekts besteht darin, seine Fortschritte in verschiedenen Bereichen, wie porösen Flüssigkeiten und biomimetischen Membranen, dazu zu nutzen, effiziente und nachhaltige Verfahren mit geringen Umweltauswirkungen zu entwickeln. Damit wirkt man der Luftverschmutzung, Energieknappheit und der globalen Erwärmung entgegen.

Weitere Informationen:
ENACT-Projektwebsite