Міжнародна команда дослідників розробила недорогу мембрану, яка здатна розділяти компоненти сирої нафти за кімнатної температури. На відміну від традиційної перегонки, цей метод не потребує попереднього нагрівання сировини до понад 350 °C. Комп’ютерне моделювання показало, що використання мембрани перед звичайною перегонкою може скоротити енергоспоживання на 31,6%, а викиди вуглекислого газу — на 37,6%.
Результати дослідження опубліковано в журналі Nature. Роботу очолив професор Корейського передового інституту науки і технологій (KAIST) Дон-Йон Ко у співпраці з командою професора Раяна Лайвлі з Технологічного інституту Джорджії.
Як працює мембрана без нагрівання
Нафтопереробні заводи використовують перегонку — процес, під час якого сиру нафту нагрівають, випаровують, а потім охолоджують пару, щоб розділити суміш на фракції. Так отримують компоненти для виробництва транспортного пального, пластику, паковання, текстилю та інших матеріалів.
За оцінками, перегонка сирої нафти у світі споживає близько 1100 терават-годин енергії на рік. Це приблизно відповідає річному виробництву 130 атомних електростанцій потужністю 1 ГВт за умови їхньої безперервної роботи.
Дослідники запропонували частину цього процесу замінити мембранною фільтрацією. Для цього вони використали пористий поліакрилонітрил (PAN) — недорогий і хімічно стабільний полімер, який уже застосовують у промислових мембранах.
Ключова особливість технології полягає в тому, що канали для розділення молекул формуються безпосередньо під час контакту мембрани з нафтою. Важкі вуглеводні вибірково осідають на стінках пор, поступово звужуючи отвори до розмірів менш ніж 2 нанометри. Легші компоненти, зокрема нафтафракції, з яких отримують бензин і гас, проходять крізь мембрану швидше, тоді як важчі речовини затримуються.
Зазвичай подібні відкладення вважають забрудненням мембран, оскільки вони можуть знижувати продуктивність. У новій технології цей ефект, навпаки, створює канали, що забезпечують вибіркове розділення суміші.
Економія енергії та викидів
За результатами дослідження, мембрана пропускала нафту приблизно у 23 рази швидше, ніж найкращі мембрани для розділення сирої нафти, описані в попередніх роботах. Також вона зберігала стабільну продуктивність протягом 28 днів безперервної роботи.
Моделювання виробничих процесів показало, що попередня обробка нафти мембраною перед традиційною перегонкою може забезпечити такі результати:
- 31,6% менше енергії для процесу розділення;
- 37,6% менше викидів CO₂;
- 20,7% менше води для охолодження;
- 36% нижчі експлуатаційні витрати.
Ці показники отримано за допомогою моделювання, тому вони не є підтвердженими результатами повномасштабного впровадження на нафтопереробному заводі.
Ще одна перевага полягає в потенційній сумісності технології з наявною інфраструктурою. Мембранні модулі можна було б встановлювати на заводах як додаткові блоки фільтрації, не замінюючи повністю обладнання для перегонки.
За оцінкою дослідників, застосування технології в нафтопереробному та нафтохімічному секторі Південної Кореї могло б скоротити викиди парникових газів приблизно на 10 млн метричних тонн на рік. Автори порівнюють цей обсяг із річними викидами близько чотирьох мільйонів автомобілів із двигунами внутрішнього згоряння.
Від нафтопереробки до переробки пластику
Команда планує вдосконалювати контроль над утворенням вузьких каналів і перевіряти можливість застосування мембран у ширшому спектрі промислових процесів.
Серед потенційних напрямів — очищення піролізної оливи, яку отримують під час термічного розкладання пластикових відходів, відновлення розчинників, що використовуються у виробництві акумуляторів, а також очищення речовин для фармацевтичної промисловості.
Однак ці застосування поки що залишаються перспективними напрямами досліджень, а не доведеними промисловими рішеннями. Для масштабного використання технології науковцям ще потрібно підтвердити надійність мембран під час тривалої експлуатації та розробити ефективні модульні системи великої площі.
Якщо подальші випробування підтвердять розрахункові переваги, мембранна фільтрація може стати способом зменшити енергетичні витрати й викиди в одній із найбільш енергоємних галузей промисловості.