היכולת להפריד ולטהר פרודות מסוימות מתוך תערובת כימית הינה חיונית עבור ייצור כימיקלים ואולם שיטת הזיקוק הקיימת קלה אך דורשת אנרגיה רבה
מהנדסים פיתחו שיטה חדישה להכנת קרומיות בעלות ביצועים גבוהים מנפות גבישיות הקרויות זאוליטים; השיטה תוכל להגביר את יעילות האנרגיה של הפרדות כימיות עד פי חמישים יותר משיטות נוכחיות ולהציע קצבי ייצור גבוהים יותר.
היכולת להפריד ולטהר פרודות מסוימות מתוך תערובת כימית הינה חיונית עבור ייצור כימיקלים. שיטות הפרדה תעשייתיות רבות מתבססות על זיקוק – תהליך שהינו קל לתכנון וליישום, אולם צורך אנרגיה רבה.
חוקרים מאוניברסיטת מינסוטה, בראשותו של מהנדס הכימיה ,Michael Tsapatsis דיווחו על התגלית בגיליון יולי האחרון של כתב-העת המדעי .Science
צוות המחקר פיתח טיפול מהיר בחום לשם הסרת פגמים מבניים בקרומיות זאוליט – פגמים המגבילים את יעילות פעילותן ומעכבים את התקדמות הטכנולוגיה הזו מזה עשורים.
“לשימוש בקרומיות, במקום בתהליכים עתירי-אנרגיה כגון זיקוק וגיבוש, עשויה להיות השפעה משמעותית על התעשייה,” אמר אחד מהחוקרים. תגלית זו תוכל להגביר את יעילות האנרגיה של ייצור ממסים כימיים חשובים כגון קסילן, וכן ביו-דלקים מתחדשים כגון אתאנול ובוטאנול.
החוקרים הכינו קרומיות זאוליטיות ע”י יצירת שכבה של גבישים שלתוכה הוכנסו יונים אורגניים שנועדו להכווין את מבנהו וגודל הנקבוביות של הגביש – שני מאפיינים בזאוליט האחראיים לברירת החומרים שיוכלו לעבור דרכו. בשלב הבא הם חיממו את שכבת הזאוליט בתהליך בעירה (calcination) לשם פירוק היונים ופתיחת הנקבוביות.
אולם, מסביר החוקר הראשי, “שיטה זו ליצירת שכבות זאוליט לעיתים מותירה סדקים בגבול שבין גרעיני הגבישים הזאוליטיים.” פגמים אלו מנעו משכבות זאוליטיות מלשמש ביעילות כקרומיות, מכיוון שפרודות בלתי-רצויות של חומרים שונים, שנדחות ע”י נקבוביות הזאוליט, עדיין מסוגלות לחדור דרך הפגמים בקרומיות.
“חרף העובדה כי ניתן לתקן חלק מהפגמים הללו, תהליך התיקון הינו מורכב ויקר,” מסביר החוקר. כיום, קרומיות זאוליט משמשות ביישומים ייחודיים, בקנה-מידה קטן, כגון ההרחקה של מים מכהלים או מממסים אחרים.
בניסיון למעט ככל הניתן בקבלת הסדקים הללו ופגמים אחרים, קצב החימום במהלך הבעירה מתון ביותר, והתהליך כולו עשוי להימשך עד ארבעים שעות – באופן טיפוסי חומר מחומם בקצב של מעלה צלסיוס אחת לכל דקה עד לטמפרטורה שבין ארבע מאות לחמש מאות מעלות צלסיוס – ובטמפרטורה זו נותר החומר למשך שעות אחדות עד אשר מאפשרים לו להתקרר באיטיות. מאחר ותהליך חימום זה עתיר-אנרגיה וממושך, עד היום היה מורכב ויקר ליצר קרומיות זאוליט בקנה-מידה גדול.
צוות המחקר פיתח טיפול חימום מואץ שקרוי “עיבוד חומני מהיר” (Rapid Thermal Processing ,RTP), תהליך שבו שכבת הזאוליט מחוממת לשבע מאות מעלות צלסיוס תוך דקה אחת בלבד ונותרת בטמפרטורה זו לא יותר משתי דקות. בשמשו כתהליך חישול, התהליך החדש “מנקה” את המבנה הגרגירי של גבישי הזאוליט מפגמים מבניים.
כאשר החוקרים בחנו את השכבות שעברו את התהליך הנ”ל הם לא מצאו כל עדות לסדקים בגבול שבין הגרגירים. למרות שהם מצאו סוגים אחרים של פגמים, הם בטוחים כי אלו אינם משפיעים על תכונות הקרומית או טיב ביצועיה.
בהשוואה לקרומיות זאוליט שהוכנו בשיטות אחרות, החוקרים ראו שיפור ניכר ביעילות ההפרדה של הקרומיות שעברו את הטיפול החדיש. ביצוע התהליך בפעם השנייה, על החומר המטופל כבר, שיפר את יעילות ההפרדה עוד יותר, לרמה שאינה מוכרת כלל בשיטות ההפרדה התעשייתיות הנוכחיות.
החוקרים הדגימו את שיטתם החדישה על קרומיות זאוליט דקות יחסית – מיקרומטרים אחדים. הם עובדים עתה על הכנת קרומיות זאוליט הדקות פי עשרה עד מאה יותר לשם זירוז משך המעבר של הפרודות המתאימות. הם מצפים, בסופו של דבר, ליישם את השיטה החדשה ויתרונותיה גם על קרומיות אלו.
