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Purificare con la zeolite

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La capacità di separare e purificare specifiche molecole in una miscela è un requisito essenziale per la produzione chimica. Molte separazioni industriali si basano sulla distillazione, un processo che è facile da progettare e attuare, ma che consuma molta energia. Un altro metodo, più economico, utilizza i cristalli di zeolite.

Le zeoliti sono alluminosilicati con varie strutture cristalline, con unità base di natura tetraedrica (AlO4 e SiO4 sono le molecole base), che contengono cavità occupate da ioni e/o molecole di acqua, che permettono lo scambio ionico e molecolare (le cavità sono comprese tra i 3 ed i 10 Angstrom). La loro elevata superficie interna permette una grande capacità di scambio (meccanismo di adsorbimento e deadsorbimento a riproducibilità elevata).

Le caratteristiche chimiche e chimico-fisiche che garantiscono la specificità verso alcune molecole, la resistenza al calore, tra le altre cose le rendono materiali molto usati in industria (agenti essiccanti, agenti depuranti, ecc.).

Però, fino ad oggi, la zeolite è poco utilizzata per produrre membrane da utilizzare per le separazioni, in quanto durante il processo di produzione inevitabilmente si creano delle fessure nel cristallo. Questi difetti hanno impedito alla zeolite di essere utilizzata efficacemente come membrana, perché le molecole indesiderate rifiutate dai pori della zeolite possono ancora penetrare attraverso le imperfezioni.

Anche se è possibile correggere alcuni di questi difetti, il processo di riparazione è difficile e costoso. Attualmente tali membrane hanno trovato impiego solo in applicazioni specializzate, su scala ridotta, come ad esempio nell’eliminazione di acqua da alcoli o altri solventi.

I ricercatori dell’University of Minnesota, guidati dall’ingegnere chimico Michael Tsapatsis, hanno sviluppato un trattamento di riscaldamento rapido per rimuovere i difetti strutturali nella sintesi di membrane di zeolite.

Il team di Tsapatsis ha pubblicato questa scoperta sul numero del 31 luglio di Science.

Questa scoperta potrebbe consentire la produzione economica di solventi chimici come xilene e biocarburanti rinnovabili come etanolo e butanolo.

Il team di Tsapatsis ha sviluppato un trattamento chiamato Rapid Thermal Processing (RTP), un trattamento in cui la zeolite è riscaldata a 700 gradi Celsius entro un minuto e conservata a tale temperatura per non più di due minuti. Questo metodo innovativo perfeziona la struttura granulare del cristallo.

Quando i ricercatori hanno esaminato la membrana trattata RTP, non hanno trovato alcuna traccia di fessurazioni. Anche se hanno trovato altri tipi di difetti, questi non sembrano influire sulla proprietà o prestazioni della membrana.

“Abbiamo osservato un forte miglioramento nella capacità di separazione delle membrane trattate con RTP” commenta Tsapatsis, “le prestazioni sono ad un livello paragonabile ai metodi di separazione attuali dell’industria”.

I ricercatori hanno dimostrato la validità del processo RTP su membrane relativamente spesse (diversi micrometri). Tsapatsis e collaboratori stanno adesso lavorando per produrre membrane da 10 a 100 volte più sottili in modo da consentire un flusso più rapido.

Fonte: Science

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