Отделение бензина от нефти с помощью полимерной мембраны
Мембраны отделяют молекулы от смесей в зависимости от их характерных особенностей, таких как размер и форма. Когда молекулы очень близки по размеру друг с другом, такое разделение становится более сложным
Инновационная мембранная технология способна снизить выбросы углерода и энергоемкость процессов, связанных с переработкой сырой нефти. Лабораторные испытания показали, что в будущем использование полимерных мембран могло бы заменить некоторые традиционные процессы тепловой дистилляции.
Фракционирование смесей сырой нефти с использованием тепловой перегонки представляет собой крупномасштабный энергоемкий процесс, на который приходится почти 1% мирового потребления энергии: 1100 тераватт-часов в год (ТВт-ч/год). Осуществив внедрение низкоэнергетических мембран на определенных этапах дистилляции, можно будет однажды получить гибридную систему, которая значительно снизит углеродные выбросы и потребление энергии по сравнению с традиционными процессами очистки.
«Многое в современной жизни зависит от нефти, и процессы разделения ее молекул делают возможным существование современной цивилизации». «Масштаб разделения нефти, необходимый для производства продуктов, которые все потребляют, невероятно велик».
Опубликованная в журнале Science (https://doi.org/10.1126/science.aba9806) статья стала первым докладом о синтетической мембране, специально предназначенной для разделения сырой нефти на фракции. Для доведения этой технологии до промышленного масштаба потребуются дополнительные исследования и разработки.
Мембранная технология уже широко используется в таких областях, как опреснение морской воды, но сложность переработки нефти до сих пор ограничивала ее использование. Чтобы преодолеть эту проблему, для создания мембран, способных разделить сложные углеводородные смеси под воздействием давления, а не нагрева, исследователи разработали спироциклический полимер, который нанесли на прочный субстрат.
Мембраны отделяют молекулы от смесей в зависимости от их характерных особенностей, таких как размер и форма. Когда молекулы очень близки по размеру друг с другом, такое разделение становится более сложным. Используя хорошо известный процесс возникновения связей между атомами азота и углерода, полимеры были сконструированы путем соединения строительных блоков, имеющих изогнутую структуру, для создания неупорядоченных материалов со встроенными пустотами.
Исследователи смогли сбалансировать множество факторов:
- правильная комбинация растворимости, чтобы мембраны могли быть сформированы простой и масштабируемой обработкой;
- структурная жесткость, чтобы позволить одним молекулам проходить через них легче, чем другим;
- кроме этого, неожиданно исследователи обнаружили, что материалам требовалась и небольшая структурная гибкость, чтобы улучшить размерное разделение;
- также стала необходимой способность слегка «прилеплять» определенные типы молекул, которые в изобилии присутствуют в сырой нефти.
После окончания разработки полимера и первых успехов при его испытании исследователи решили разделить образец сырой нефти и обнаружили, что полимерная мембрана показала эффективность при извлечении бензина и реактивного топлива из сложной смеси.
«Сначала была попытка фракционировать смесь молекул с сильно похожими признаками». «Но когда попытались решить более сложную задачу - разделить сырую нефть, то эффект оказался таким, как будто процесс происходил в дистилляционной колонне, указав на большие возможности концепции».
Источник: Georgia Institute of Technology
