Университет Миннесоты имеет два патента на исследования и надеется получить лицензию на эти технологии. Исследование опубликовано в исследовательском журнале Nature Communications.
Нефтехимические и биотопливные заводы используют материалы, называемые цеолитами, которые действуют как молекулярные сита для сортировки, фильтрации и улавливания химических соединений, а также катализируют химические реакции, необходимые для производства и улучшения топлива и химического сырья из нефтяных и возобновляемых ресурсов.
Существует более 200 известных цеолитов и сотни тысяч предсказанных вариаций цеолитов. Ключом к совершенствованию биотопливных и нефтехимических процессов является определение наиболее эффективных цеолитов.
К сожалению, синтез новых цеолитов в лаборатории — долгий и сложный процесс, на который может уйти много месяцев.
Чтобы проанализировать все известные и предсказанные структуры, потребуются десятилетия. Вместо этого исследователи из Университета Миннесоты и Университета Райса разработали сложный вычислительный процесс скрининга, который позволяет изучать тысячи цеолитов в виртуальном мире и определять их производительность для конкретных приложений.
Это снижает потребность в экспериментах методом проб и ошибок в лаборатории.
«Используя суперкомпьютер в Аргоннской национальной лаборатории, мы можем использовать наше компьютерное моделирование, чтобы сжать десятилетия исследований в лаборатории в общей сумме вычислений на один день», — сказал ведущий исследователь Илья Зипманн, профессор химии Университета Миннесоты, и директор U.S. Финансируемый Министерством энергетики Центр генома нанопористых материалов в Миннесоте.
Прогнозирование производительности цеолитов требовало серьезных вычислительных мощностей, эффективных компьютерных алгоритмов и точных описаний молекулярных взаимодействий.
Программное обеспечение команды может использовать Mira, суперкомпьютер с почти 800000 процессорами, для выполнения за день эквивалентных вычислений, требующих около 10 миллионов часов на однопроцессорном компьютере. Расчеты определили цеолиты для решения двух сложных проблем.
Первая проблема, с которой столкнулись исследователи, — это многоступенчатый процесс очистки этанола, который встречается при производстве биотоплива. Один из последних шагов включает отделение этанола от воды.
Исследователи обнаружили несколько цеолитов, полностью состоящих из диоксида кремния, с превосходными характеристиками, которые содержат поры и каналы, способные вмещать молекулы этанола, но избегать образования водородных связей с молекулами воды. Один из этих цеолитов, который был синтезирован и испытан в лаборатории профессора химической инженерии и материаловедения Майкла Цапатсиса Университета Миннесоты, оказался настолько эффективным, что мог изменить процесс разделения этанола / воды с многоступенчатого процесса дистилляции на одностадийный адсорбционный процесс. Подобные цеолитные материалы также могут иметь возможное применение для разделения в биотопливе и нефтехимической промышленности.
Вторая проблема, которую изучили исследователи, нацелена на превращение нефтяных соединений в более ценные смазочные материалы и дизельные продукты.
Они определили цеолитные каркасы, которые могут улучшить процесс депарафинизации, превращая линейные длинноцепочечные молекулы в слегка разветвленные углеводородные молекулы, называемые алканами, которые влияют на температуру застывания и вязкость смазочных материалов и других нефтепродуктов. Исследователи говорят, что определение подходящих сорбентов и катализаторов для всех сложных смесей, участвующих в создании этих продуктов, имеет «первостепенное значение», но это одна из самых сложных проблем, которые нужно преодолеть.
«Мы ищем материалы с интересными свойствами, и именно этого мы здесь достигли», — сказал соавтор статьи Майкл Дим, заведующий кафедрой биоинженерии Университета Райса и профессор физики и астрономии.