Karlsruher Institut für Technologie
Effiziente Prozesse mit „porösen“ Flüssigkeiten
Propylen ist weltweit einer der wichtigsten Grundstoffe der Großchemie. 80 % der Energie heutiger Herstellungsverfahren soll ein neues Verfahren dank „poröser“ Flüssigkeiten einsparen, die am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entwickelt werden.
Mit einem Verbrauch von 100 Millionen Tonnen p.a. weltweit gehört Propylen (auch Propen genannt) zu den weltweit wichtigsten Grundstoffen der Chemie, die daraus vor allem den „Massenkunststoff“ Polypropylen herstellt. Bislang wird Propylen hauptsächlich bei der Aufbereitung von Rohöl oder natürlichem Erdgas gewonnen, wobei es durch Destillation von anderen Gasen separiert und gereinigt wird.
„In der Fachliteratur geht man davon aus, dass die Gastrennung in der Petrochemie mit Hilfe von Membranen nur ein Fünftel der Energie kosten würde, die für Destillationen benötigt wird“, so Nachwuchsgruppenleiter Dr. Alexander Knebel vom Institut für Funktionelle Grenzflächen des KIT, der bis 2019 an der Leibniz Universität Hannover und in Saudi-Arabien forschte. Durch die hohen Energieeinsparungen könnte es für die petrochemische Industrie erstmals wirtschaftlich interessant sein, für die Abtrennung von Propen auf Membranen zu setzen.
Mit den von Forschern des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Partnern entwickelten „porösen“ Flüssigkeiten, bei denen in Lösemitteln fein verteilt Nanoteilchen schweben, die Gasmoleküle verschiedener Größen voneinander trennen, könnte die bislang übliche, energieaufwendige Destillation ersetzt werden. Die Teilchen besitzen leere Poren, durch deren Öffnungen nur Moleküle einer bestimmten Größe eindringen können. Die porösen Flüssigkeiten lassen sich zu Membranen verarbeiten, die Propen als Ausgangsstoff für den Kunststoff Polypropylen effizient aus Gasgemischen trennen, oder sie lassen sich direkt einsetzen.
Neues Material
Die Forscher starteten bei ihrer Arbeit mit dem festen Material ZIF-67 (zeolitic imidazole framework), dessen Atome ein Metall-Organisches Netzwerk mit 0,34 Nanometer breiten Porenöffnungen bilden. Dabei veränderten sie Nanopartikel von ZIF-67 gezielt an der Oberfläche. „Dadurch gelang es uns, erstmals ein Metall-Organisches Netzwerk in Flüssigkeiten wie Cyclohexan, Cyclooctan oder Mesitylen fein zu verteilen, also zu dispergieren“, sagt Knebel. Die entstandene Dispersion nennen die Wissenschaftler poröse Flüssigkeit.
Für den Weg durch eine Säule, die mit der porösen Flüssigkeit gefüllt ist, braucht gasförmiges Propen deutlich länger als beispielsweise Methan, da Propen in den Poren der Nanopartikel festgehalten wird, die kleineren Methanmoleküle hingegen nicht. „Diese Eigenschaft der Dispersion wollen wir künftig ausnutzen, um flüssige Trennmembranen zu erzeugen“, sagt Knebel.
Mit porösen Flüssigkeiten lassen sich auch feste Trennmembranen mit vorteilhaften Eigenschaften produzieren. So stellte das Team Membranen aus einem Kunststoff und dem chemisch modifizierten ZIF-67 her. Dabei konnte es den Anteil an modifiziertem ZIF-67 in der Membran bis auf 47,5 Prozent erhöhen, ohne dass diese mechanisch instabil wurde. Leiteten die Forscher eine Gasmischung aus gleichen Teilen Propen und Propan über zwei hintereinandergeschaltete Membranen, so erhielten sie Propen mit einem Reinheitsgrad von mindestens 99,9 Prozent, obwohl sich die beiden Gasmoleküle nur um 0,2 Nanometer in ihrer Größe unterscheiden. Weitere Parameter wie die Durchflussrate, die Verteilung der Metall-Organischen Partikel im Kunststoff und die Durchgängigkeit der Poren konnten ebenfalls zufriedenstellend reguliert werden.
Weitere Informationen zu dem Verfahren sind in nature materials online erhältlich.
