Этилен очистили с помощью цеолитного материала

Химики из Испании и США синтезировали цеолитный материал, который по-разному пропускает молекулы этана и этилена, и показали, что с его помощью можно эффективно очищать этилен от органических примесей. Статья исследователей опубликована в Science.

Этилен (C₂H₄) является одним из основных компонентов при промышленном синтезе многих химических препаратов и полимеров, таких как полиэтилен, дихлорэтан, этиленгликоль, стирол и этиловый спирт. Ежегодно производится около 150 тонн этилена, при этом большую часть вещества получают с помощью парового крекинга и сжижения газа.

При таком способе производства этилен оказывается загрязнен другими углеводородами (в основном этаном), поэтому его очищают с помощью криогенной дистилляции. Этот процесс использует тот факт, что различные углеводороды переходят из газообразного состояния в жидкое при различных температурах, и при постепенном охлаждении смеси газов в первую очередь из нее выпадают вещества с более высокой температурой кипения. К сожалению, энергетические затраты на дистилляцию очень высоки (примерно 0,3 процента от общемирового потребления электроэнергии). В данной работе ученые предлагают гораздо менее энергозатратный способ очистки этилена от примесей.

Для этого химики предложили использовать разработанный ими материал ITQ-55, состоящий в основном из атомов кислорода и кремния и имеющий пористую цеолитную структуру. Размер ячеек и кристаллическая решетка были подобраны таким образом, чтобы скорости поглощения материалом молекул этана и этилена отличались. Грубо говоря, более мелкие молекулы этилена C₂H₄ хорошо пролезают в поры кристаллической решетки, а молекулы этана C₂H₆, которые немного больше из-за двух дополнительных атомов водорода, проникают в нее с трудом. Из-за этого цеолит гораздо лучше пропускает сквозь себя этилен, чем этан (по крайней мере, до тех пор, пока большая часть ячеек не будет заполнена молекулами этилена). Оптимальную структуру материала химики нашли численно с помощью теории функционал плотности (DFT), 

Потом ученые синтезировали материал, помещая сложное органическое вещество в щелочную среду и добавляя анионы фтора F⁻ для запуска изменений в диоксиде кремния. Кристаллическую структуру образовавшегося вещества ученые исследовали методом порошковой рентгеновской дифракции и программы TREOR, восстанавливающей структуру из экспериментальных данных. Оказалось, что параметры решетки синтезированного вещества совпадают с найденными теоретическими значениями, отвечающими цеолиту ITQ-55.

Затем ученые проверили, насколько хорошо разработанный ими материал отделяет этан от этилена. Для этого они поместили в адсорбционную колонну, заполненную гелием, 1100 миллиграмм ITQ-55 и начали продувать через нее смесь этилена и этана. Скорость продувания равнялась десяти кубическим сантиметрам в минуту, давление составляло 8,5 бар, а температура – 50 градусов Цельсия. Сначала цеолитный материал пропускал сквозь себя молекулы этана и активно поглощал молекулы этилена, концентрация этана в колонне быстро росла и через восемь минут достигла почти ста процентов. Однако вскоре после достижения максимума ITQ-55 полностью насытился, и этилен начал прорываться сквозь него. Через 16 минут концентрации газов в колонне практически сравнялись.

Таким образом, эксперимент показал, что с помощью ITQ-55 действительно можно эффективно отделять этан из смеси этана и этилена (если прекратить продувание в момент наибольшего насыщения цеолита). По словам ученых, селективность процесса очищения с помощью найденного ими вещества достигает ста и может быть в дальнейшем повышена до трехсот, тогда как селективность обычных методов колеблется от десяти до тринадцати.

Ранее мы писали о том, как ученые очистили воду от хлористых примесей с помощью цеолита ZSM-5. Также недавно физики смоделировали лед необычно низкой плотности, отталкиваясь от пористой цеолитной структуры.

Дмитрий Трунин