تعد القدرة على فصل وتنقية جزيئات معينة من خليط كيميائي أمرًا ضروريًا لإنتاج المواد الكيميائية، إلا أن طريقة التقطير الحالية سهلة ولكنها تتطلب الكثير من الطاقة
لقد طور المهندسون طريقة مبتكرة لصنع أغشية عالية الأداء من المناخل البلورية التي تسمى الزيوليت. يمكن لهذه الطريقة أن تزيد من كفاءة الطاقة في عمليات الفصل الكيميائي بما يصل إلى خمسين مرة أكثر من الطرق الحالية وتوفر معدلات إنتاج أعلى.
تعد القدرة على فصل وتنقية جزيئات معينة من خليط كيميائي أمرًا ضروريًا لإنتاج المواد الكيميائية. تعتمد العديد من طرق الفصل الصناعي على التقطير - وهي عملية سهلة التخطيط والتنفيذ، ولكنها تستهلك الكثير من الطاقة.
وأعلن باحثون من جامعة مينيسوتا، بقيادة المهندس الكيميائي مايكل تساباتسيس، عن هذا الاكتشاف في عدد يوليو الماضي من مجلة ساينس العلمية.
وطوّر الفريق البحثي معالجة حرارية سريعة لإزالة العيوب الهيكلية في أغشية الزيوليت، وهي عيوب تحد من كفاءة نشاطها وتؤخر تقدم هذه التقنية لعقود من الزمن.
وقال أحد الباحثين: "إن استخدام الأغشية، بدلاً من العمليات كثيفة الاستهلاك للطاقة مثل التقطير والدمج، قد يكون له تأثير كبير على الصناعة". يمكن لهذا الاكتشاف أن يزيد من كفاءة استخدام الطاقة في إنتاج المذيبات الكيميائية المهمة مثل الزيلين، وكذلك الوقود الحيوي المتجدد مثل الإيثانول والبيوتانول.
وقام الباحثون بإعداد أغشية الزيوليت عن طريق إنشاء طبقة من البلورات التي تم إدخال أيونات عضوية فيها والتي كانت تهدف إلى ضبط بنية وحجم مسام البلورة - وهما خاصيتان في الزيوليت مسؤولتان عن اختيار المواد التي يمكن أن تمر عبره. وفي الخطوة التالية، قاموا بتسخين طبقة الزيوليت في عملية التكليس لإذابة الأيونات وفتح المسام.
ومع ذلك، يوضح الباحث الرئيسي أن "هذه الطريقة في تكوين طبقات الزيوليت تترك أحيانًا شقوقًا في الحدود بين نوى بلورات الزيوليت". هذه العيوب حالت دون استخدام طبقات الزيوليت بشكل فعال كأغشية، لأن الجزيئات غير المرغوب فيها من المواد المختلفة، والتي ترفضها مسام الزيوليت، لا تزال قادرة على اختراق العيوب الموجودة في الأغشية.
ويوضح الباحث: "على الرغم من إمكانية إصلاح بعض هذه العيوب، إلا أن عملية الإصلاح معقدة ومكلفة". اليوم، تُستخدم أغشية الزيوليت في تطبيقات فريدة وصغيرة الحجم، مثل إزالة الماء من المبردات أو المذيبات الأخرى.
وفي محاولة للتقليل قدر الإمكان من قبول هذه الشقوق والعيوب الأخرى، يكون معدل التسخين أثناء الاحتراق معتدلاً للغاية، وقد تستمر العملية برمتها حتى أربعين ساعة - وعادةً ما يتم تسخين المادة بمعدل درجة واحدة مئوية في الدقيقة إلى درجة حرارة تتراوح بين أربعمائة وخمسمائة درجة مئوية - وعند درجة الحرارة هذه تبقى المادة لعدة ساعات حتى يسمح لها بأن تبرد ببطء. نظرًا لأن عملية التسخين هذه تستهلك الكثير من الطاقة وتستغرق وقتًا طويلاً، فقد كان حتى الآن معقدًا ومكلفًا إنتاج أغشية الزيوليت على نطاق واسع.
وطوّر الفريق البحثي معالجة تسخينية متسارعة تسمى "المعالجة الحرارية السريعة" (RTP)، وهي عملية يتم فيها تسخين طبقة الزيوليت إلى سبعمائة درجة مئوية في دقيقة واحدة فقط وتبقى عند درجة الحرارة هذه لمدة لا تزيد عن دقيقتين. تُستخدم العملية الجديدة كعملية تلدين، حيث تقوم "بتطهير" البنية الحبيبية لبلورات الزيوليت من العيوب الهيكلية.
عندما فحص الباحثون الطبقات التي مرت بالعملية المذكورة أعلاه، لم يجدوا أي دليل على وجود شقوق في الحدود بين الحبيبات. ورغم أنهم وجدوا أنواعًا أخرى من العيوب، إلا أنهم متأكدون من أنها لا تؤثر على خصائص الغشاء أو أدائه.
وبالمقارنة مع أغشية الزيوليت المحضرة بطرق أخرى، رأى الباحثون تحسنا كبيرا في كفاءة فصل الأغشية التي خضعت للمعالجة المبتكرة. أدى إجراء العملية مرة ثانية، على المواد المعالجة بالفعل، إلى تحسين كفاءة الفصل بشكل أكبر، إلى مستوى غير معروف على الإطلاق في طرق الفصل الصناعي الحالية.
أظهر الباحثون طريقتهم المبتكرة على أغشية الزيوليت الرقيقة نسبيًا - بضعة ميكرومترات. وهم يعملون الآن على صنع أغشية زيوليت أرق بعشر إلى مائة مرة من أجل تسريع وقت عبور الجزيئات المناسبة. ويتوقعون، في النهاية، تطبيق الطريقة الجديدة ومزاياها على هذه الأغشية أيضًا.
