La nuova tecnologia a membrana potrebbe ridurre le emissioni di carbonio e l'intensità energetica associate alla raffinazione del petrolio greggio. Il professore associato della Georgia Tech Ryan Lively mostra un modulo contenente il nuovo materiale della membrana, mentre il professor M.G. Finn contiene fiale contenenti alcuni degli altri polimeri utilizzati in questo studio. Credito:Christopher Moore, Georgia Tech
Nuova tecnologia a membrana sviluppata da un team di ricercatori del Georgia Institute of Technology, Imperial College di Londra, ed ExxonMobil potrebbe aiutare a ridurre le emissioni di carbonio e l'intensità energetica associate alla raffinazione del petrolio greggio. I test di laboratorio suggeriscono che questa tecnologia a membrana polimerica potrebbe sostituire in futuro alcuni processi di distillazione tradizionali basati sul calore.
Il frazionamento delle miscele di petrolio greggio mediante distillazione a caldo è un'operazione su larga scala, processo ad alta intensità energetica che rappresenta quasi l'1% del consumo energetico mondiale:1, 100 terawattora all'anno (TWh/anno), che equivale all'energia totale consumata dallo stato di New York in un anno. Sostituendo le membrane a bassa energia per alcune fasi del processo di distillazione, la nuova tecnologia potrebbe un giorno consentire l'implementazione di un sistema di raffinazione ibrido che potrebbe aiutare a ridurre significativamente le emissioni di carbonio e il consumo di energia rispetto ai processi di raffinazione tradizionali.
"Molto nella nostra vita moderna viene dal petrolio, quindi la separazione di queste molecole rende possibile la nostra civiltà moderna, " disse M.G. Finn, professore e presidente della School of Chemistry and Biochemistry della Georgia Tech. Finn detiene anche la cattedra di famiglia James A. Carlos per la tecnologia pediatrica. "La scala della separazione richiesta per fornire i prodotti che utilizziamo è incredibilmente ampia. Questa tecnologia a membrana potrebbe avere un impatto significativo sul consumo energetico globale e sulle emissioni risultanti della lavorazione del petrolio".
Da segnalare nel numero del 17 luglio della rivista Scienza , si ritiene che la carta sia la prima relazione di una membrana sintetica specificamente progettata per la separazione di petrolio greggio e frazioni di petrolio greggio. Saranno necessarie ulteriori attività di ricerca e sviluppo per portare questa tecnologia su scala industriale.
La tecnologia a membrana è già ampiamente utilizzata in applicazioni quali la desalinizzazione dell'acqua di mare, ma la complessità della raffinazione del petrolio ha finora limitato l'uso delle membrane. Per vincere questa sfida, il team di ricerca ha sviluppato un nuovo polimero spirociclico che è stato applicato a un substrato robusto per creare membrane in grado di separare miscele di idrocarburi complesse mediante l'applicazione di pressione anziché di calore.
Gli assistenti di ricerca laureati alla Georgia Tech Kirstie Thompson e Ronita Mathias con un pallone contenente materiali polimerici utilizzati per creare una nuova tecnologia a membrana che potrebbe ridurre le emissioni di carbonio e l'intensità energetica associate alla raffinazione del petrolio greggio. Credito:Christopher Moore, Georgia Tech
Le membrane separano le molecole dalle miscele in base a differenze come dimensioni e forma. Quando le molecole sono di dimensioni molto vicine, quella separazione diventa più impegnativa. Utilizzando un noto processo per creare legami tra atomi di azoto e carbonio, i polimeri sono stati costruiti collegando blocchi aventi una struttura attorcigliata per creare materiali disordinati con spazi vuoti incorporati.
Il team è stato in grado di bilanciare una varietà di fattori per creare la giusta combinazione di solubilità, per consentire la formazione di membrane mediante un'elaborazione semplice e scalabile, e rigidità strutturale, per consentire ad alcune piccole molecole di passare più facilmente di altre. inaspettatamente, i ricercatori hanno scoperto che i materiali avevano bisogno di una piccola quantità di flessibilità strutturale per migliorare la discriminazione delle dimensioni, così come la capacità di essere leggermente "appiccicosi" verso certi tipi di molecole che si trovano in abbondanza nel petrolio greggio.
Dopo aver progettato i nuovi polimeri e aver ottenuto un certo successo con una benzina sintetica, carburante per jet, e miscela di gasolio, il team ha deciso di provare a separare un campione di petrolio greggio e ha scoperto che la nuova membrana era abbastanza efficace nel recuperare benzina e carburante per aviogetti dalla miscela complessa.
"Inizialmente stavamo cercando di frazionare una miscela di molecole troppo simili, " ha detto Ben McCool, un ricercatore associato presso ExxonMobil e uno dei coautori del documento. "Quando abbiamo assunto un feed più complesso, olio crudo, abbiamo ottenuto un frazionamento che sembrava provenire da una colonna di distillazione, indicando il grande potenziale del concetto."
I ricercatori hanno lavorato in modo collaborativo, con polimeri progettati e testati presso Georgia Tech, poi convertito in film di 200 nanometri di spessore, e incorporati nei moduli a membrana presso Imperial utilizzando un processo roll-to-roll. I campioni sono stati quindi testati presso tutte e tre le organizzazioni, fornendo conferma multi-laboratorio delle capacità della membrana.
Gli assistenti di ricerca laureati alla Georgia Tech Kirstie Thompson e Ronita Mathias con un campione di un nuovo materiale per membrane che potrebbe ridurre le emissioni di carbonio e l'intensità energetica associate alla raffinazione del petrolio greggio. Credito:Christopher Moore, Georgia Tech
"Abbiamo l'esperienza fondamentale di portare la nanofiltrazione di solventi organici, una tecnologia a membrana che sta diventando ampiamente utilizzata nelle industrie farmaceutiche e chimiche, al mercato, "ha detto Andrew Livingston, professore di ingegneria chimica all'Imperial. "Abbiamo lavorato a lungo con ExxonMobil e Georgia Tech per dimostrare il potenziale di scalabilità di questa tecnologia ai livelli richiesti dall'industria petrolifera".
Il team di ricerca ha creato una pipeline di innovazione che si estende dalla ricerca di base fino alla tecnologia che può essere testata in condizioni reali.
"Abbiamo unito la scienza di base e la chimica, fondamenti di fabbricazione della membrana applicata, e analisi ingegneristica di come funzionano le membrane, " ha detto Ryan Lively, professore associato e membro della facoltà di John H. Woody presso la School of Chemical and Biomolecular Engineering della Georgia Tech. "Siamo stati in grado di passare da polveri in scala di milligrammi fino a prototipi di moduli a membrana in fattori di forma commerciali che sono stati sfidati con il vero petrolio greggio:è stato fantastico vedere questa pipeline di innovazione in azione".
Il rapporto di ExxonMobil con Georgia Tech risale a quasi 15 anni e ha prodotto innovazioni in altre tecnologie di separazione, inclusa una nuova membrana a setaccio molecolare a base di carbonio che potrebbe ridurre drasticamente l'energia necessaria per separare una classe di molecole di idrocarburi note come alchil aromatici.
"Attraverso la collaborazione con solide istituzioni accademiche come Georgia Tech e Imperial, lavoriamo costantemente per sviluppare le soluzioni energetiche a basse emissioni del futuro, " ha detto Vijay Swarup, vicepresidente della ricerca e sviluppo presso ExxonMobil Research and Engineering Company.
