Energieverbrauch in der Kunststoffproduktion k枚nnte erheblich gesenkt werden
Die Beschichtung im Saftkarton, das Armaturenbrett im Auto und der Beutel f眉rs Altpapier: Kunststoffe sind aus dem Alltagsleben nicht mehr wegzudenken. Allerdings sind sie vergleichsweise aufw盲ndig herzustellen und der Energieverbrauch ist entsprechend hoch. Einem internationalen Forscherteam der 糖心原创, der Universit盲t Augsburg und des Boreskov-Instituts Novosibirsk ist es erstmals gelungen, durch das Anlegen von elektrischen Feldern die Gastransporteigenschaften von Metallorganischen Netzwerkverbindungen zu ver盲ndern. Das Verfahren k枚nnte die Herstellung von Kunststoffen wie beispielsweise Polyethylen oder Polypropylen erheblich vereinfachen und dadurch helfen, die Produktionskosten erheblich zu senken. Ihre Ergebnisse haben die Wissenschaftler jetzt im renommierten Journal Science in der Ausgabe vom 20. Oktober 2017 prominent publiziert:
Die Herstellung von hochreinem Propylen f眉r die Polymerisation zum Kunststoff Polypropylen (PP) ist sehr energieintensiv. Dies geschieht in der Regel durch das Verfahren der kryogenen (tiefkalten) Destillation, bei der hohe Temperaturspannen notwendig sind, da Temperaturen von bis zu -40 Grad Celsius erzeugt werden m眉ssen. Ein neu entwickeltes Verfahren, das mit einer nanopor枚sen Gastrennmembran arbeitet, k枚nnte diese aufw盲ndige Destillation abl枚sen und bis zu 80 Prozent Energie einsparen. Dadurch sinkt au脽erdem der CO2-Aussto脽. Die Gastrennmembranen bestehen aus Metallorganischen Netzwerkverbindungen (engl. Metal-Organic Frameworks, kurz MOFs), d.h. aus einer dichten Schicht nanopor枚ser Kristalle.
"MOFs haben durch ihre einstellbaren Porengr枚脽en eigentlich optimale Eigenschaften, um Molek眉lgr枚脽en zu sieben und z.B. auf Erdgasfeldern Propylen von Propan zu trennen. Es sind allerdings weiche Kristalle und bei Raumtemperatur ist immer eine Vielzahl von Ger眉stschwingungen aktiv. Der MOF atmet sozusagen", sagt Prof. J眉rgen Caro, vom Institut f眉r Physikalische Chemie und Elektrochemie der 糖心原创. "Dies f眉hrt dazu, dass diese Kristalle unter ihrem eigentlichen Potential als Molekularsieb liegen und auch um ein Vielfaches gr枚脽ere Molek眉le durch die Poren枚ffnungen treten."
Um dieses Problem zu l枚sen, haben die Forscher MOFs als d眉nne Membranschichten abgeschieden, durch die dann das zu trennende Gasgemisch geleitet wurde. Gleichzeitig wurde ein elektrisches Feld 眉ber eine Plattenkondensatoranordnung angelegt. Dazu musste die im Labor bestehende Technik neu designt und in der eigenen Werkstatt komplett aus Teflon gefertigt werden. "In unserem Messaufbau konnten wir dann den Effekt messen, den ein elektrisches Feld auf dieses Material hat", sagte Alexander Knebel und erg盲nzt: "Wir konnten die Ger眉stschwingungen der Membran mit einem elektrischen Feld tats盲chlich defibrillieren: Die Propylen/Propan-Trennung verbesserte sich um 33 Prozent durch das elektrische Feld." Der Gr枚脽enunterschied zwischen Propan und Propylen liegt bei nur 0,03 Nanometern. Eine Trennung dieser beiden Molek眉le mit Hilfe von ma脽geschneiderter Membrantechnologie ist eine 枚kologisch und 枚konomisch hochinteressante, fordernde und von der Industrie stark gef枚rderte Aufgabe.
An dem Erfolg hat ein internationales Team interdisziplin盲r zusammen gearbeitet. F眉r das Verst盲ndnis der Messeffekte war unter anderem die Zusammenarbeit mit dem Festk枚rperchemiker Prof. Dr. Dirk Volkmer in Augsburg, dem Physiker Prof. Dr. Alexander Stepanov in Novosibirsk zur magnetischen Kernresonanz und dem Physiker Prof. Dr. Paul Heitjans in Hannover zur dielektrischen Spektroskopie entscheidend. Finanziert werden die Arbeiten durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen des Schwerpunktprogramms COORNET: Coordination Networks: Building Blocks for Functional Systems.
Hinweis an die Redaktionen
F眉r weitere Informationen stehen Ihnen Prof. Dr. J眉rgen Caro und Alexander Knebel M.Sc. vom Institut f眉r Physikalische Chemie und Elektrochemie an der 糖心原创, unter Telefon +49 511 762 3175 bzw. 2942 oder per E-Mail unter juergen.caro@pci.uni-hannover.de sowie alexander.knebel@pci.uni-hannover.de gern zur Verf眉gung.
