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Nature Communications volume 13, numero articolo: 2955 (2022) Citare questo articolo

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Le raffinerie generalmente utilizzano più colonne di distillazione/adsorbimento ad alta intensità energetica per separare e purificare miscele chimiche complesse. Materiali come separatori molecolari multifunzionali che integrano vari moduli in grado di separare simultaneamente le molecole in base alla loro forma e proprietà chimiche possono rappresentare un'alternativa. Qui, affrontiamo questa sfida nel contesto della rimozione in un unico passaggio di alchini e propadiene dai gas di cracking (fino a 10 componenti) utilizzando un materiale multifunzionale e reattivo ZU-33 attraverso una strategia di regolazione a doppia risposta ospite/temperatura. Le proprietà reattive e adattative all'ospite di ZU-33 forniscono l'energia di legame ottimizzata per alchini e propadiene ed evitano l'adsorbimento competitivo di olefine e paraffine, che viene verificato mediante test innovativi, esperimenti di diffrazione di raggi X su cristallo singolo e studi di simulazione . Le proprietà di risposta a diversi stimoli dotano i materiali di molteplici metodi di regolazione e ampliano i confini dell'applicabilità dei materiali porosi alle separazioni impegnative.

La scoperta di zeoliti sintetiche1,2,3, strutture metallo-organiche (MOF)4,5,6 e altri materiali porosi progettati su misura7,8,9,10,11 apre le porte alla riuscita separazione adsorbente di miscele chimiche, a seconda della struttura molecolare piuttosto che dei punti di ebollizione12,13,14,15,16,17. I recenti progressi nella capacità di personalizzare la chimica dei pori nei materiali porosi hanno ampliato il loro intervallo di separazione, in base alla differenza di dimensione/forma molecolare18,19,20, proprietà fisico-chimiche21,22,23,24,25 o diffusione26,27,28 tra i componenti. Tuttavia, i processi di separazione industriale contengono tipicamente miscele multicomponente complicate con dimensioni e proprietà molecolari quasi sovrapposte, il che rappresenta una grande sfida per la regolazione e la gestione precisa della chimica dei pori dei materiali porosi. Ad esempio, le olefine (etilene, propilene, 1,3-butadiene) sono prodotte mediante separazione e purificazione dai prodotti della pirolisi con vapore o del cracking che includono idrogeno (H2), metano (CH4), etano (C2H6), etilene (C2H4) , acetilene (C2H2), propilene (C3H6), propino (C3H4), propadiene (C3H4 (PD)), 1,3-butadiene (C4H6), n-butene (n-C4H8), iso-butene (i-C4H8) ed ecc.29,30. Per ottenere olefine di qualità polimerica, le impurità degli alchini (acetilene e propino) e del propadiene devono essere rimosse dai gas di cracking. Attualmente, vengono impiegati processi complicati di distillazione multifase e unità di idrogenazione catalitica (Figura 1 supplementare) che causano una grande impronta energetica31,32. Per i metodi di adsorbimento ad alta efficienza energetica, la maggior parte dei precedenti adsorbenti si limitava alla separazione delle miscele simulate a due componenti (C2H2/C2H433,34,35, C3H4/C3H636,37,38) o a tre componenti (C3H4/C3H4 ( PD)/C3H6)39,40. Tutti questi adsorbenti non sono riusciti a risolvere il problema della rimozione in un unico passaggio di alchini e propadiene da complesse miscele di idrocarburi (più di dieci componenti). La purificazione in una fase del componente target da miscele complesse è il modo più desiderato per ridurre il consumo di energia e semplificare il processo di separazione. Recentemente, è stata studiata la produzione in un unico passaggio di C2H4 di qualità polimerica da una miscela di gas quaternaria (CO2/C2H2/C2H6/C2H4), utilizzando tuttavia una serie di adsorbenti ciascuno con selettività per una delle impurità41. Pertanto, è urgente sviluppare nuove strategie di separazione e nuovi materiali funzionali per gestire miscele chimiche complesse.

Una strategia promettente sarebbe quella di progettare una sorta di separatore molecolare multifunzionale che integri più moduli in grado di separare le molecole in base alla loro dimensione/forma e proprietà fisiche allo stesso tempo. Le principali barriere nella rimozione di alchini e propadiene dai gas di cracking sono: (i) le dimensioni molecolari intermedie del propino e del propadiene target rendono il setacciamento molecolare mai adattabile; (ii) la simile struttura del legame insaturo, ad esempio il propadiene e l'1,3-butadiene mostrano un simile effetto di coniugazione π – π che solleva una severa sfida per ottenere la separazione tramite la differenza di affinità di legame (Fig. 1a); (iii) la rimozione profonda e simultanea di tutte e tre le impurità (acetilene, propino e propadiene) con struttura e proprietà diverse utilizzando un materiale poroso.