Wspomniana membrana wykorzystuje osadzające się na niej ciężkie składniki surowca do oddzielania lżejszych frakcji. Dzięki jej zastosowaniu można zmniejszyć zużycie energii o ponad 30 procent. A przecież przetwarzanie ropy naftowej należy do wyjątkowo energochłonnych procesów przemysłowych, dlatego tak istotna redukcja powinna przełożyć się na wyraźne spadki ostatecznych kosztów.
Czytaj też: Zrobili paliwo z odpadu. Produkujemy tego tony i nie wiemy, co z tym zrobić
Jak w ogóle przebiega cały proces? W tradycyjnych rafineriach surowiec trzeba podgrzać do temperatury przekraczającej 350 stopni Celsjusza. Później dochodzi do podziału na frakcje o różnych właściwościach. W ten sposób pracownicy uzyskują między innymi składniki wykorzystywane do produkcji paliw, tworzyw sztucznych, opakowań i włókien syntetycznych. Proces ten, znany jako destylacja, wymaga ogromnych ilości energii. Jej światowe zużycie związane z destylacją ropy wynosi około 1100 terawatogodzin rocznie.
Opisywana membrana stanowi owoc wysiłków zespołu, na czele którego stanęli przedstawiciele KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology). O szczegółach tej koncepcji czytamy w Nature. Z publikacji wynika, iż podstawą działania nowej technologii jest membrana wykonana z porowatego poliakrylonitrylu, czyli stosunkowo niedrogiego i stabilnego chemicznie polimeru wykorzystywanego również w innych zastosowaniach przemysłowych.
Najbardziej zaskakujący jest sposób działania tego materiału. Gdy ropa przepływa przez membranę, cięższe węglowodory osadzają się na ścianach jej porów. Z czasem zwężają one otwory, tworząc kanały o średnicy mniejszej niż dwa nanometry. Powstała w ten sposób struktura pozwala rozdzielać składniki surowca według ich właściwości. Lżejsze frakcje, w tym składniki benzyny i nafty, mogą przechodzić przez membranę, podczas gdy większa część cięższych komponentów zostaje zatrzymana.
W konwencjonalnych układach membranowych podobne osady są zwykle niepożądane, ponieważ ograniczają przepływ i obniżają wydajność filtracji. W nowej technologii zjawisko to staje się jednak elementem mechanizmu separacji. Zamiast jedynie walczyć z osadzaniem się substancji, naukowcy wykorzystali je do uzyskania selektywnego rozdzielania mieszaniny.
Czytaj też: Ten robot nie ma akumulatora. Zamiast tego kradnie energię z podłoża podczas chodzenia
W testach membrana osiągnęła przepuszczalność ropy około 23 razy większą niż wartości raportowane wcześniej dla zaawansowanych membran przeznaczonych do podobnych zastosowań. Badacze zaobserwowali również stabilną pracę przez 28 kolejnych dni. Jeszcze bardziej obiecujące okazały się wyniki symulacji całego procesu przemysłowego. Zgodnie z obliczeniami wstępne rozdzielanie ropy za pomocą membrany, połączone z tradycyjną destylacją, mogłoby przynieść następujące korzyści:
- 31,6% mniej zużytej energii;
- 37,6% niższe emisje dwutlenku węgla;
- 20,7% mniejsze zużycie wody chłodzącej;
- 36% niższe koszty operacyjne.
Jedną z zalet takiego rozwiązania wydaje się możliwość zastosowania go w postaci modułowych jednostek filtracyjnych. Takie podejście mogłoby ułatwić integrację membran z istniejącymi instalacjami bez konieczności całkowitej przebudowy rafinerii. Według szacunków przedstawionych przez badaczy wdrożenie technologii w koreańskim sektorze rafineryjnym i petrochemicznym mogłoby ograniczyć emisje gazów cieplarnianych o około 10 milionów ton rocznie. Jest to jednak scenariusz potencjalnego zastosowania, a nie rezultat już osiągnięty w skali całego przemysłu. Dalsze działania mają teraz obejmować dopracowanie procesu zwężania porów i sprawdzenie, czy membrany można wykorzystać także w innych gałęziach przemysłu.
Źródło: Nature
