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科学家发现新型材料可以使塑料制造更加节能
2018-11-05 10:23:36来源:元素商城

这种铁基金属有机骨架用过氧基(红色和绿色)装饰,可以捕获乙烷(蓝色分子),同时允许乙烯通过,这可能提供了一种更高效和成本效益的方式来净化乙烯,乙烯是塑料生产最重要的原材料。

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一种创新的过滤材料可能很快会降低制造塑料的环境成本。由美国国家标准与技术研究院(NIST)的科学家组成的团队创造的这项技术,可以从其他化学物质的混合物中提取最常见的塑料的关键成分,同时消耗的能量也比平时少得多。 

这种材料是一种金属-有机骨架(MOF),这类物质多次展示了从炼油过程中产生的有机分子中分离单个碳氢化合物的能力。MOFs对塑料和石油工业有着巨大的价值,因为它可以使制造商以远比标准炼油技术更低的成本进行分离。 

这一前景使MOFs成为NIST和其他机构的重点研究对象,从而使MOFs能够分离不同的汽油辛烷并加速复杂的化学反应。然而,有一个主要的目标已经被证明是难以实现的:一种工业上首选的释放乙烯的方法——制造聚乙烯所需的分子,用于制造购物袋和其他日常容器的塑料。 

研究小组发现,对经过充分研究的MOF的修改使它能够从乙烷混合物中分离出纯化的乙烯。 

制造塑料需要很多能量。聚乙烯是最常见的一种塑料,它是由乙烯构成的。乙烯必须经过高度纯化才能在生产过程中发挥作用,但目前从所有其他碳氢化合物中分离乙烯的工业技术是一个寒冷但高能量的过程,它能将原油冷却到摄氏零下100度以上。 

乙烯和乙烷构成了混合物中碳氢化合物的主体,而将这两种化合物分离是迄今为止最耗能的步骤。找到一种替代的分离方法将减少每年全世界制造1.7亿吨乙烯所需要的能量。 

多年来,科学家们一直在寻找这种替代方法,MOFs似乎很有希望。从微观上看,它们看起来有点像半建成的摩天大楼,没有围墙。大梁的表面有特定的碳氢分子会牢牢地粘在上面,所以通过右边的MOF注入两种碳氢化合物的混合物可以将其中一种分子从混合物中拉出来,让另一种碳氢化合物以纯形式出现。创建一个允许乙烯通过的MOF,对于塑料工业来说,一直是症结所在。 

研究小组花了数年时间试图解决这个问题。2012年,NCNR的另一个研究小组发现,一种名为MOF-74的特殊框架能够很好地分离包括乙烯在内的多种碳氢化合物。 

化学领域的一个重大课题是找到打破碳和氢之间形成的牢固纽带的方法。这样做可以创造出很多有价值的新材料。之前的研究表明,含有过氧化铁的化合物可以破坏这种化学键。 

研究小组推断,要想打破碳氢化合物分子中的键,化合物首先必须吸引该分子。当他们对MOF-74的壁进行改性,使其含有类似于该化合物的结构时,结果证明它们从混合物中吸引的分子是乙烷。 

该团队改进后的MOF工作效率很高,但它可能需要一些额外的开发。


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