Учёные разработали более экологичный метод разделения углеводородов с помощью «молекулярных сит»

Исследователи из KAUST использовали молекулу CB[7] для эффективного извлечения ценных углеводородов из сырой нефти, предложив более устойчивую стратегию разделения для химической промышленности. Автор: 2025 KAUST.

Полые молекулы в форме тыквы могут эффективно разделять ценные углеводороды из сырой нефти, как показали учёные из Университета науки и технологий имени короля Абдаллы (KAUST). Эти «молекулярные сита», известные как кукурбитурилы, могут обеспечить более устойчивый подход к производству сырья для химической промышленности.

Результаты исследования опубликованы в журнале Nature Sustainability.

Сырая нефть — это сложная смесь углеводородов, жизненно важных практически для всех аспектов жизни, от топлива до пластика. Например, циклогексан используется в производстве нейлона, но его выделение с достаточной чистотой обычно требует многоэтапной энергоёмкой фракционной перегонки.

Команда KAUST разработала альтернативную стратегию разделения на основе кукурбитурилов, названных так из-за их сходства с тыквами семейства Cucurbitaceae. Эти молекулы бывают разных размеров и имеют сферические полости, способные захватывать другие молекулы.

Когда исследователи растворили кукурбитурил CB[7] в воде и смешали его с сырой нефтью при комнатной температуре и давлении, CB[7] «вытянул» циклогексан и несколько родственных углеводородов в свою полость. Нефть и вода естественным образом разделились на два слоя, что позволило удалить воду вместе с CB[7] и захваченными углеводородами. Затем эти углеводороды были вымыты из CB[7] с помощью обычного растворителя.

Поскольку углеводороды и растворитель имеют значительно разные температуры кипения, их можно легко разделить с помощью простых и относительно энергоэффективных процессов дистилляции.

«Это требует гораздо меньше энергии, чем перегонка сырой нефти, которая включает множество компонентов с близкими температурами кипения и сложными взаимодействиями», — говорит Нивин М. Хашаб, руководившая исследованием.

Процесс хорошо работал в жёстких химических условиях — включая кислоту, щёлочь и соль — а CB[7] и растворитель можно было использовать многократно.

«Благодаря хорошей рециркуляции водной системы CB[7] чистое потребление воды остаётся низким», — добавляет член команды Гэнъу Чжан.

Дистилляция сырой нефти — не единственный метод производства циклогексана. Часть циклогексана производится в результате химической реакции с участием бензола, но их разделение затруднено из-за схожих температур кипения. Когда команда KAUST протестировала CB[7] на смеси бензола и циклогексана в соотношении 50:50, оказалось, что после однократной экстракции можно получить циклогексан чистотой более 99,6%.

CB[7] также испытали на смеси под названием «дистиллят сырой нефти», содержащей около 2,5% циклогексана наряду с другими углеводородами с близкими температурами кипения. И снова кукурбитурил обеспечил циклогексан чистотой свыше 99%.

«CB[7] так избирательно связывает циклогексан, потому что его сферическая полость идеально соответствует размеру и форме молекулы циклогексана, обеспечивая сильное и специфическое взаимодействие "хозяин-гость"», — объясняет Чжан.

CB[7] также легко синтезируется из недорогих ингредиентов и обладает высокой стабильностью, что позволяет использовать его многократно.

Исследователи подсчитали, что их метод разделения на основе CB[7] может потреблять примерно на 57–82% меньше энергии, чем традиционная экстракционная дистилляция, что делает его более устойчивой и потенциально экономически выгодной альтернативой. Теперь они надеются настроить размер полости и связывающие свойства других полых молекул, чтобы извлекать более широкий спектр компонентов сырой нефти.

«Сейчас мы работаем над масштабированием процесса и изучаем возможности сотрудничества с промышленностью», — говорит Хашаб.

Дополнительная информация: Gengwu Zhang et al, Selective and sustainable separation of hydrocarbons from crude oil via molecular sieve, Nature Sustainability (2025). DOI: 10.1038/s41893-025-01563-3

Источник: King Abdullah University of Science and Technology