Il riscaldamento globale, le carenze di energia e la diminuzione delle risorse hanno sottolineato l’importanza di creare tecnologie più efficienti, sostenibili ed ecocompatibili. Tali miglioramenti sono particolarmente importanti nelle industrie ad alta intensità energetica come quella chimica e petrolchimica. Gli scienziati del progetto di ricerca europeo ENACT hanno compiuto grandi passi avanti nell’affrontare queste sfide attraverso lo sviluppo di tecnologie chimiche sostenibili.
La maggior parte dei processi di produzione dell’industria petrolchimica avviene a temperature estreme, che consumano grandi quantità di energia. Il propilene è uno dei prodotti derivati da tale processo ed è utilizzato negli adesivi, nelle fibre, nelle vernici e in molti altri articoli di consumo e industriali. Quando il propilene viene purificato è separato dal propano attraverso la distillazione criogenica, un processo ad alto consumo di energia che comporta il raffreddamento dei gas a temperature bassissime.

La promessa dei MOF

Un’alternativa più efficiente dal punto di vista energetico è costituita da una classe di polimeri porosi chiamati strutture metallo-organiche o MOF (metal-organic frameworks). Questi composti cristallini sono costituiti da ioni metallici che si legano a ligandi organici per formare strutture tridimensionali. Le caratteristiche uniche dei MOF, quali l’elevata porosità, l’ampia superficie e la diversità delle strutture, li hanno resi idonei per un’ampia gamma di processi industriali, tra cui lo stoccaggio, la purificazione e la separazione dei gas, nonché per applicazioni di catalisi e rilevamento. Sono inoltre materiali promettenti per le applicazioni di cattura del carbonio grazie alle loro elevate capacità di adsorbimento del carbonio e al fatto che le loro proprietà possono essere calibrate con precisione.
Le membrane a base di MOF sono particolarmente efficaci quando si tratta di separare i gas. I loro pori nanodimensionali sono ideali per intrappolare le molecole, pur permettendo ad altre sostanze di attraversarli. Si raggiungono ottimi risultati nella separazione delle miscele di propilene e propano con una classe di MOF denominata ZIF-8 (zeolitic imidazolate framework-8). Questo film ultrasottile permette al propilene di diffondersi attraverso i suoi pori in modo 125 volte più efficiente rispetto ad altri materiali. Inoltre, il processo di separazione viene eseguito a temperature ambiente di circa 30 °C e quindi consuma meno energia.

Una nuova prospettiva per i MOF

Finora è stato necessario apportare complesse modifiche ai supporti porosi delle membrane ZIF-8 per ottenere buone prestazioni nella separazione propilene-propano. Alla luce di questa problematica, il team di ENACT ha sviluppato un metodo per sintetizzare lo ZIF-8 senza modificare il supporto. Il loro metodo consiste nell’assemblaggio di nuclei elettroforetici per la cristallizzazione di film sottili altamente aderenti.
Grazie all’impiego di questo nuovo metodo, gli scienziati hanno sintetizzato membrane ZIF-8 prive di difetti e spesse 0,5 μm su un’ampia gamma di supporti non modificati, quali il poliacrilonitrile poroso, l’ossido di alluminio anodizzato, la lamina metallica, il carbonio poroso e il grafene. I risultati hanno mostrato una delle migliori prestazioni in termini di separazione propilene-propano ottenute finora dalle membrane MOF. Come spiegano gli autori, il nuovo approccio è semplice, riproducibile e può essere esteso a un’ampia gamma di cristalli nanoporosi.
Attraverso simulazioni al computer, sintesi dei materiali e caratterizzazione sperimentale, il progetto ENACT (Enhancing sustainable chemical technologies through the synergy of computer simulation and experiment) si propone di ottimizzare la progettazione di sistemi in fase liquida per le tecnologie chimiche. L’intento principale è quello di sfruttare i progressi compiuti in vari campi, come i liquidi porosi e le membrane biomimetiche, per sviluppare processi efficienti e sostenibili a basso impatto ambientale. Ciò contribuirà ad affrontare l’inquinamento atmosferico, le carenze di energia e il riscaldamento globale.