Исследователи из KAUST продемонстрировали, что «полые молекулы», напоминающие по форме тыкву, могут эффективно отделять ценные углеводороды от сырой нефти. Эти «молекулярные сита», известные как кукурбитурилы, могут обеспечить более устойчивый подход к производству сырья для химической промышленности.
Результаты опубликованы в журнале Nature Sustainability.
Сырая нефть — это сложная смесь углеводородов, жизненно важных для практически всех сфер жизни, от топлива до пластмасс. Циклогексан, например, используется в производстве нейлона, но для выделения его в достаточной степени чистоты обычно требуется несколько этапов энергоёмкой фракционной перегонки.
Команда KAUST разработала альтернативную стратегию разделения, основанную на кукурбитурилах. Они бывают разных размеров и имеют сферические полости, которые могут улавливать другие молекулы.
Когда исследователи растворили кукурбуртирил под названием CB[7] в воде и смешали его с сырой нефтью при комнатной температуре и давлении, CB[7] втянул циклогексан и несколько близкородственных углеводородов в свою полость. Вода и масло естественным образом разделились на два слоя, так что воду можно было удалить вместе с CB[7] и его грузом. Затем эти углеводороды были вымыты из CB[7] с помощью обычного растворителя.
Поскольку углеводороды и растворитель имеют значительно разные температуры кипения, их можно легко разделить с помощью простых и относительно энергоэффективных процессов перегонки.
«Это требует гораздо меньше энергии, чем перегонка сырой нефти, которая включает в себя множество компонентов со схожими температурами кипения и сложными взаимодействиями», — говорит Нивин М. Хашаб, возглавлявший исследование.
Процесс хорошо работал в жёстких химических условиях, включая кислоту, щёлочь и соль, а CB[7] и растворитель можно было многократно использовать.
«Благодаря хорошей возможности повторного использования водной системы CB[7], общее потребление воды остаётся низким», — добавляет член команды Гэнву Чжан.
Перегонка сырой нефти — не единственный метод получения циклогексана. Некоторые объёмы циклогексана производятся путём химической реакции с бензолом, но их разделение затруднено из-за схожих температур кипения. Когда команда KAUST испытала CB[7] на смеси бензола и циклогексана в соотношении 50:50, они обнаружили, что CB[7] может обеспечить циклогексан с чистотой более 99,6% после однократной экстракции.
Они также испытали CB[7] на смеси, называемой дистиллятом сырой нефти, которая включает около 2,5% циклогексана наряду со многими другими углеводородами со сравнимыми температурами кипения. И снова кукурбуртирил обеспечил циклогексан с чистотой более 99%.
«CB[7] связывает циклогексан так избирательно, потому что его сферическая полость близко соответствует размеру и форме молекулы циклогексана, обеспечивая сильные и специфические взаимодействия хозяин-гость», — объясняет Чжан.
CB[7] также легко синтезируется из недорогих ингредиентов и обладает высокой стабильностью, что позволяет многократно его использовать.
Исследователи подсчитали, что их метод разделения на основе CB[7] может использовать примерно на 57–82% меньше энергии, чем обычная экстракционная дистилляция, что делает его более устойчивой и потенциально экономически выгодной альтернативой. Теперь они надеются настроить размер полости и связывающие свойства других полых молекул для извлечения более широкого спектра компонентов сырой нефти.
«Мы в настоящее время работаем над масштабированием процесса и изучением возможностей сотрудничества с промышленностью», — говорит Хашаб.
King Abdullah University of Science and Technology