Корейские и американские ученые разработали мембранную технологию переработки нефти, которая может дополнить и частично заменить применяемый более ста лет процесс дистилляции. Подробности приведены на страницах Nature.
Нефть лежит в основе современной жизни — она служит не только топливом для транспорта, но и сырьем для производства пластмасс, упаковочных материалов, тканей и бесчисленного множества потребительских товаров. Поскольку стоимость переработки напрямую влияет на цену этих продуктов, любые технологии, снижающие энергопотребление на НПЗ, способны принести ощутимую экономическую и экологическую выгоду.
Сырую нефть делят на фракции посредством дистилляции — нагревают выше 350 °C и пропускают через ректификационную колонну, получая различные компоненты. В мировом масштабе на этот процесс ежегодно уходит около 1100 тераватт-часов энергии. Неудивительно, что дистилляция остается одним из главных источников энергопотребления и выбросов парниковых газов в нефтепереработке.
В качестве потенциальной альтернативы в последнее время все чаще рассматривается мембранное фракционирование сырой нефти. Однако традиционно считалось, что для разделения на молекулярном уровне необходим ультратонкий селективный слой, нанесенный на поверхность мембраны. Такие покрытия работают, но удорожают производство и склонны к дефектам при масштабировании, что ограничивает их применение в промышленности.
Нефть сама делает себе мембрану
Авторы новой разработки пошли совершенно иным путем. Они пропускали сырую нефть через непокрытую пористую мембрану из полиакрилонитрила (ПАН) — химически стойкого и недорогого полимера, который обычно используется лишь как подложка.
Проходя через мембрану, нефть сужала поры, оставляя на их стенках тяжелые углеводороды. Таким образом, искусственные каналы не нужны — «черное золото» сформировало их самостоятельно. Легкие же компоненты — нафта, бензин и керосин — быстро преодолевали такие самоорганизующиеся поры. Считающийся вредным процесс загрязнения мембраны здесь, напротив, сыграл на руку исследователям.
Непокрытая ПАН-мембрана показала скорость фильтрации нефти примерно в 23 раза выше, чем у ранее описанных передовых мембран для сырой нефти, при этом сохраняла стабильные свойства в течение 28 дней работы.
«Одной из главных проблем мембранных систем для разделения нефти была низкая производительность. Наши ПАН-мембраны благодаря неожиданному механизму работы радикально повышают пропускную способность — до уровня, когда промышленность должна всерьез задуматься о внедрении этой технологии», — считает профессор Райан Ливли из Технологического института Джорджии.
Технологию можно интегрировать в существующую инфраструктуру заводов в виде модульных фильтрационных установок — это позволяет избежать дорогостоящей замены оборудования и снижает барьеры для промышленного применения.
Универсальная технология
По расчетам авторов, использование мембраны в качестве этапа предварительной очистки перед традиционной дистилляцией позволяет сократить энергопотребление на 31,6%, выбросы CO₂ — на 37,6%, расход охлаждающей воды — на 20,7%, а эксплуатационные расходы — на 36%.
Более того, сфера применения не ограничивается нефтепереработкой. Мембрану можно задействовать в самых разных химических процессах разделения — от очистки пиролизного масла из переработанного пластика до извлечения растворителей в производстве аккумуляторов, фармацевтической очистки и выпуска биотоплива.
Эксперты раскрыли, почему в Персидском заливе нефти больше, чем где-либо еще на Земле
Подписывайтесь и читайте «Науку» в MAX