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Nature Communications volume 13, número do artigo: 2955 (2022) Citar este artigo

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As refinarias geralmente empregam múltiplas colunas de destilação/adsorção com uso intensivo de energia para separar e purificar misturas químicas complicadas. Materiais como separadores moleculares multifuncionais que integram vários módulos capazes de separar moléculas de acordo com a sua forma e propriedades químicas simultaneamente podem representar uma alternativa. Aqui, abordamos esse desafio no contexto da remoção em uma etapa de alcinos e propadieno de gases de craqueamento (até 10 componentes) usando um material multifuncional e responsivo ZU-33 por meio de uma estratégia de regulação de resposta dupla de convidado/temperatura. As propriedades responsivas e adaptativas do ZU-33 fornecem a energia de ligação otimizada para alcinos e propadieno e evitam a adsorção competitiva de olefinas e parafinas, o que é verificado por testes inovadores, experimentos de difração de raios X de cristal único e estudos de simulação . As propriedades responsivas a diferentes estímulos dotam os materiais de múltiplos métodos de regulação e ampliam os limites da aplicabilidade de materiais porosos a separações desafiadoras.

A descoberta de zeólitas sintéticas1,2,3, estruturas metal-orgânicas (MOFs)4,5,6 e outros materiais porosos personalizados7,8,9,10,11 abre a porta para o sucesso da separação adsortiva de misturas químicas, dependendo da estrutura molecular e não dos pontos de ebulição12,13,14,15,16,17. Avanços recentes na capacidade de adaptar a química dos poros em materiais porosos ampliaram sua faixa de separação, de acordo com a diferença no tamanho/forma molecular 18,19,20, propriedades físico-químicas 21,22,23,24,25 ou difusão 26,27,28 entre os componentes. No entanto, os processos de separação industrial normalmente contêm misturas multicomponentes complicadas com tamanhos e propriedades de moléculas próximas e sobrepostas, apresentando um grande desafio para a regulação e gestão precisas da química dos poros de materiais porosos. Por exemplo, as olefinas (etileno, propileno, 1,3-butadieno) são produzidas por separação e purificação a partir de produtos de pirólise a vapor ou craqueamento que incluem hidrogênio (H2), metano (CH4), etano (C2H6), etileno (C2H4) , acetileno (C2H2), propileno (C3H6), propino (C3H4), propadieno (C3H4 (PD)), 1,3-butadieno (C4H6), n-buteno (n-C4H8), iso-buteno (i-C4H8) e etc.29,30. Para obter olefinas de grau polimérico, as impurezas de alcinos (acetileno e propino) e propadieno devem ser removidas dos gases de craqueamento. Atualmente, processos complicados de destilação em múltiplas etapas e unidades de hidrogenação catalítica (Figura 1 suplementar) são empregados e causam grande consumo de energia . Para métodos de adsorção energeticamente eficientes, a maioria dos adsorventes anteriores limitava-se à separação das misturas simuladas de dois componentes (C2H2/C2H433,34,35, C3H4/C3H636,37,38) ou de três componentes (C3H4/C3H4 ( PD)/C3H6)39,40. Todos esses adsorventes não conseguiram resolver a desafiadora remoção de alcinos e propadieno em uma única etapa de misturas complicadas de hidrocarbonetos (mais de dez componentes). A purificação em uma etapa do componente alvo de misturas complexas é a forma mais desejada de reduzir o consumo de energia e simplificar o processo de separação. Recentemente, a produção em uma etapa de C2H4 de grau polimérico a partir de uma mistura de gases quaternários (CO2/C2H2/C2H6/C2H4) foi investigada, ainda usando uma série de adsorventes, cada um com seletividade para uma das impurezas . Portanto, é urgente desenvolver novas estratégias de separação e novos materiais funcionais para lidar com misturas químicas complexas.

Uma estratégia promissora seria projetar uma espécie de separador molecular multifuncional que integrasse múltiplos módulos capazes de separar moléculas de acordo com seu tamanho/forma e propriedades físicas ao mesmo tempo. As principais barreiras na remoção de alcinos e propadieno dos gases de craqueamento são: (i) os tamanhos moleculares intermediários do propino e propadieno alvo fazem com que a peneiração molecular nunca seja adaptável; (ii) a estrutura de ligação insaturada semelhante, por exemplo, propadieno e 1,3-butadieno apresentam efeito de conjugação π-π semelhante, o que levanta um desafio estrito para conseguir a separação através da diferença de afinidade de ligação (Fig. 1a); (iii) a remoção profunda e simultânea de todas as três impurezas (acetileno, propino e propadieno) com diferentes estruturas e propriedades usando um material poroso.