Массачусетский технологический институт (MIT) представил инновационную мембрану, которая может значительно сократить энергоемкость процесса переработки сырой нефти, а также существенно уменьшить выбросы CO₂. Новая технология разделяет компоненты нефти по молекулярному размеру, что позволяет исключить традиционную дистилляцию с использованием тепла.
Процесс превращения сырой нефти в повседневные виды топлива, такие как бензин, дизель и мазут, требует огромных энергетических затрат. По данным экспертов, этот процесс отвечает за около 6% мировых выбросов углекислого газа. Основная часть энергии расходуется на нагрев нефти, чтобы разделить ее компоненты на основе их точек кипения.
В отличие от традиционных методов, команда исследователей MIT создала мембрану, которая фильтрует компоненты нефти по их молекулярному размеру. Это позволяет значительно снизить затраты энергии, исключив необходимость в нагреве.
Принцип работы мембраны
«Это совершенно новый подход к разделению веществ. Вместо того, чтобы нагревать смеси для их разделения, мы используем фильтрацию, разделяя компоненты по их молекулярным размерам», — объясняет Закари Смит, доцент кафедры химической инженерии MIT и старший автор исследования.
Мембрана, разработанная в MIT, устойчива к набуханию, которое часто возникает при использовании других мембран для разделения масла. Этот фильтрующий элемент представляет собой тонкую пленку, изготовленную с использованием технологий, уже применяемых в промышленности. Это дает надежду на широкую масштабируемость технологии.
Тэхун Ли, бывший постдок MIT, а теперь доцент в Университете Сонгюнгван в Южной Корее, является ведущим автором статьи, опубликованной в журнале Science.
Экономия энергии и снижение выбросов
Традиционные методы фракционирования нефти с использованием тепла составляют около 1% мирового потребления энергии. Ожидается, что использование мембран для разделения углеводородов может сократить эти затраты на 90%. Для того чтобы мембрана была эффективной, она должна быстро пропускать углеводороды и селективно фильтровать молекулы разных размеров.
Ранее исследования в этой области фокусировались на полимерах с микропористой структурой (PIM), таких как PIM-1. Однако такие материалы могут чрезмерно поглощать органические соединения, что приводит к набуханию пленки и снижению ее фильтрационных способностей.
Чтобы преодолеть эти проблемы, команда MIT адаптировала материалы, используемые в мембранах для опреснения воды. С момента своего внедрения в 1970-х годах мембраны для обратного осмоса позволили снизить энергозатраты на опреснение воды на 90%, что стало важным промышленным достижением.
Создание инновационного материала
Основной материал для мембран — полиамид — уже применяется для производства мембран для опреснения воды. Однако для разделения углеводородов он не подходит из-за недостаточной стойкости и размера пор. Исследователи MIT модифицировали полиамид, изменив химическую связь между мономерами. Это улучшило прочность материала и его гидрофобность, что позволило углеводородам быстро перемещаться через мембрану, не вызывая набухания.
Кроме того, они использовали триптицен — молекулу, способствующую формированию пор нужного размера для эффективной фильтрации углеводородов.
Результаты и перспективы
Испытания показали, что новая мембрана эффективно разделяет смеси, например, толуол и триизопропилбензол, а также смеси нафты, керосина и дизельного топлива, что подтверждает ее способность разделять легкие и тяжелые углеводороды по молекулярному размеру.
«Мы можем использовать такие мембраны в качестве начального этапа для замены колонн фракционирования сырой нефти. Это откроет возможности для улучшения и очистки сложных смесей и выделения нужных химических веществ», — говорит Смит.
Технология мембранного разделения углеводородов открывает перспективы для снижения энергозатрат в нефтепереработке и уменьшения выбросов углекислого газа. Мембраны могут быть адаптированы для промышленного применения, что сделает их доступными для широкомасштабного использования.
Масштабирование и внедрение
Исследователи уверены, что технологии межфазной полимеризации, уже используемые в мембранах для опреснения воды, могут быть адаптированы для массового производства новых мембран для разделения углеводородов. Это позволяет надеяться на быстрое внедрение технологии в нефтехимическую промышленность.
Источник: https://scitechdaily.com/new-mit-tech-could-cut-oil-refining-energy-by-90/
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/