Нов подход понижава енергията за разделянето на суров петрол на фракции

Разделянето на суров петрол на продукти като бензин, дизел и мазут е енергийно интензивен процес, на който се дължат около 6% от световните емисии на въглероден диоксид. По-голямата част от енергията се изразходва за топлина, необходима за разделяне на компонентите на база температурата им на кипене. 

Стремейки се да редуцират драстично количеството на енергията, нужна за разделянето на суровия петрол на фракции, инженери от Масачузетския технологичен институт (MIT) разработват мембрана, която може да филтрира компонентите въз основа на молекулното им тегло.

Новата мембрана може ефективно да сепарира тежки и леки компоненти от петрол и не се раздува, както обикновено се случва с други видове мембрани за разделяне на нефтени фракции. Тя представлява тънък филм, който може да бъде произведен чрез вече широко прилагана в индустриални процеси техника. Това би могло потенциално да даде възможност за увеличаване на мащаба за широка употреба.

Разделяне на фракции

Конвенционалните процеси на разделяне на суров петрол с топлина държат около 1% от глобалното енергопотребление, като е установено, че използването на мембрани за тази цел би могло да понижи необходимото количество енергия с близо 90%. За да има успех този подход, мембраната трябва да позволява бързото пропускане на въглеводороди и селективното филтриране на съединения с различен размер.

Досега усилията в тази област са съсредоточени върху полимери с естествена микропорьозност. Въпреки че тези материали дават възможност за бързото преминаване на въглеводороди, те също така поглъщат някои органични съединения, което води до раздуване на филма и съответно до влошаване на пропускателната му способност.

За да създаде по-добра алтернатива, екипът от MIT решава да се опита да модифицира полимери, които се използват за обезсоляване на вода чрез обратна осмоза. Най-често използваната мембрана за тази цел е от полиамид и се произвежда чрез метод, познат като междуфазна полимеризация. По време на този процес на междинната повърхност между вода и органичен разтворител, например хексан, се формира тънък полимерен филм. Водата и хексанът обикновено не се смесват, но на междинната повърхност между тях малко количество от разтворените в тях съединения могат да реагират помежду си.

В този случай хидрофилен мономер, наречен MPD, разтворен във вода, реагира с хидрофобния мономер TMC, който е разтворен в хексан. Двата мономера се свързват чрез амидна връзка, формирайки тънък полимерен филм (MPD-TMC). Макар да е високоефективен за обезсоляване на вода, MPD-TMC няма подходящия размер пори и устойчивост на раздуване, които биха му позволили да разделя въглеводороди.

За да отстранят този проблем, учените модифицират филма като променят връзката, свързваща мономерите, от амидна към иминна. Тази връзка е по-здрава и хидрофобна, което позволява бързото преминаване на въглеводороди през мембраната, без това да води до забележимо раздуване на филма.
Изследователите добавят и мономер, наречен триптицен, който спомага за формирането на пори в получените полиимини, които са с подходящ размер за пропускането на въглеводороди.

Този подход представлява важна стъпка към редуцирането на промишленото потребление на енергия, смята Андрю Ливингстън, професор по химично инженерство в Лондонския университет “Кралица Мери”, който не участва в проучването.

“Тази разработка използва основната технология за мембрани за обезсоляващата индустрия – междуфазната полимеризация, и създава нов начин за прилагането им към органични системи, за които понастоящем се изразходва много енергия. Подходът с използване на междуфазен катализатор, съчетан с хидрофобни мономери, води до мембрани с висока пропускателна способност и отлична селективност, като разработката показва как те могат да бъдат използвани за разделянето на суров петрол на фракции”, допълва Ливингстън.

Ефективно разделяне

Когато учените използват новата мембрана за филтриране на смес от толуен и триизопропилбензен с оглед да оценят нейната ефективност, те постигат 20 пъти по-висока концентрация на толуен в сравнение с първичната смес. Те тестват мембраната и с индустриална смес, съдържаща нафта, керосин и дизел, и установяват, че тя може ефективно да сепарира по-тежките и по-леките съединения въз основа на техния молекулен размер.
Ако се адаптира за индустриално приложение, серия от тези филтри може да се използва за получаване на по-висока концентрация на желаните продукти на всеки етап, твърдят изследователите.

“Можете да си представите, че с подобна мембрана бихте могли да проведете първоначален етап, заместващ колона за разделянето на суров петрол на фракции. Бихте могли да разделите тежки и леки молекули, след което да използвате различни мембрани в каскадна конфигурация за пречистването на сложни смес с цел изолиране на химикалите, от които се нуждаете”, казва Закари Смит, доцент по химично инженерство в MIT и съавтор на новото проучване.

Междуфазната полимеризация вече се използва широко за създаване на мембрани за обезсоляване на вода и учените вярват, че би трябвало да е възможно тези процеси да бъдат адаптирани за масовото производство на разработените от тях филми.
“Основното предимство на междуфазната полимеризация е, че вече е утвърден метод за производство на мембрани за пречистване на вода. Това ни дава възможност да си представим, че просто заменяме химичните съединения в съществуващи производствени линии”, обяснява Таехоон Лий, бивш постдокторант в MIT, понастоящем доцент в университета Сунгкюнкуан в Южна Корея, който е водещият автор на статията, публикувана в Science.