Un articolo pubblicato di recente su Scienza "Membrane in politriazolo con strato selettivo sintonizzabile ultrasottile per il frazionamento del petrolio greggio", offre una soluzione innovativa per lo sviluppo di membrane per gestire condizioni industriali uniche, come il frazionamento degli idrocarburi.

Scritto da un gruppo di scienziati sotto la direzione della dott.ssa Suzana Nunes, professoressa KAUST di scienze e ingegneria chimica e ambientale e vice preside per la facoltà e gli affari accademici, il documento evidenzia una strategia versatile per fabbricare membrane di politriazolo per petrolio greggio ad alta efficienza energetica frazionamento. Le membrane sono anche vantaggiose per le loro proprietà a bassa impronta di carbonio e per l'idoneità a promuovere l'economia circolare del carbonio (CCE).

"Lavoro su membrane di politriazolo da più di vent'anni", ha detto Nunes. "In questo articolo, l'approccio è stato proposto dal dottor Stefan Chisca, ricercatore nel nostro laboratorio. Sono sempre alla ricerca di polimeri che possano affrontare sfide che non sono possibili con una membrana molto semplice."

Chisca è specializzata nello sviluppo di polimeri per applicazioni a membrana, con particolare attenzione ai processi di separazione che comportano un consumo energetico minimo. Prima di entrare a far parte di KAUST, Nunes ha guidato la ricerca sulle membrane come capo dipartimento delle membrane per l'energia sostenibile presso l'Associazione tedesca Helmholtz.

Sebbene la maggior parte delle membrane disponibili in commercio siano costruite per ambienti acquosi e temperatura ambiente, c'è una sfida unica nello sviluppo di membrane stabili per condizioni più difficili caratterizzate da temperature elevate e un'ampia gamma di solventi organici e pH, come nel caso del frazionamento dell'olio.

Soddisfare la sfida della separazione attraverso la reticolazione termica

Un elemento cruciale ma ad alta intensità energetica e costoso comune alle industrie chimiche, farmaceutiche e petrolchimiche è il processo di separazione necessario per purificare solventi e sostanze chimiche, regolare lo scambio di solventi e gestire i catalizzatori. Le tecniche di separazione più comuni includono distillazione, adsorbimento, evaporazione ed estrazione.

La tecnologia a membrana offre un'alternativa a basse emissioni di carbonio considerata più sostenibile. Tuttavia, queste industrie hanno difficoltà a sostituire i metodi di separazione convenzionali perché avrebbero bisogno di membrane per soddisfare severi requisiti di stabilità meccanica e termica per prevenire un rapido invecchiamento fisico e deterioramento.

"L'ambiente è accidentato a temperature superiori a 100 gradi e ciò che frazioni potrebbe dissolvere la tua membrana", ha detto Nunes.

Ha indicato la fondamentale metodologia di reticolazione mediante il trattamento termico, necessaria per preparare la membrana a interagire con il petrolio greggio senza dissolversi completamente. Le membrane in politriazolo si sono dimostrate più adatte per la separazione di miscele complesse non acquose. Il team KAUST ha fabbricato membrane in politriazolo con strati selettivi sottili 10 nanometri contenenti canali sub-nanometrici per la separazione degli idrocarburi.

Utilizzando la combinazione della reticolazione termica in tandem con la separazione di fase indotta da solventi (NIPS) convenzionale, le membrane polimeriche trattate si sono rivelate adatte per processi di separazione chimica altamente impegnativi. Gli strati selettivi ultrasottili e le proprietà sintonizzabili delle membrane di politriazolo, come le permeanze, consentono loro di adattarsi a una vasta gamma di alimentazioni liquide impegnative, acidi forti e miscele complesse come quelle che si trovano nel petrolio greggio.

Caratterizzazione analitica con i Core Labs

Per comprendere meglio le interazioni tra membrana e solvente, e anche il processo di modifica chimica attraverso il trattamento termico, il team di Nunes ha collaborato con gli scienziati dei KAUST Core Labs per caratterizzare completamente la membrana e l'olio stesso. Sono stati utilizzati diversi metodi spettroscopici e di microscopia per studiare la morfologia delle membrane prima e dopo la reticolazione e seguire il frazionamento dell'olio, con conseguente completa caratterizzazione delle proprietà.

"Il nostro lavoro con i Core Labs è stato eccezionale sin dal primo giorno", ha affermato Nunes. "Questa Scienza la carta è un ottimo esempio. Tutte le persone coinvolte provengono da KAUST, dal nostro gruppo agli scienziati di Core Labs. Penso sia importante sottolineare che sono scienziati formati alla frontiera di queste tecniche. Non potremmo farlo da soli."

Nunes attribuisce la pubblicazione della ricerca a questo sforzo collaborativo.

Domande per il Regno

Nunes ritiene che la tecnologia delle membrane potrebbe aiutare l'Arabia Saudita a risparmiare molta energia.

"L'obiettivo e il sogno sono che le grandi aziende petrolchimiche regionali utilizzino la tecnologia a membrana come sostituto di parte dei loro processi di separazione azionati termicamente", ha condiviso Nunes. "È il motivo per cui lo stiamo facendo. È la motivazione."

Gran parte del lavoro del suo gruppo riguarda la promozione dell'idea di sviluppare membrane sufficientemente stabili da poter essere utilizzate nelle industrie chimiche e petrolchimiche. L'obiettivo è fornire una valida alternativa ai metodi di separazione classici, che richiedono una moltitudine di passaggi e risorse. Nunes spera inoltre di impegnarsi in interazioni più dirette con gli attori dell'industria chimica nel Regno per comprendere meglio le loro esigenze e ottenere più feedback sulle tecnologie di separazione ad alte prestazioni realizzate con solventi organici e temperature elevate.

"Questo è il primo passo di una lunga storia", ha detto. "C'è ancora molto lavoro da fare per aumentare la produzione di membrane e fare in modo che la tecnologia sia ampiamente accettata per l'uso industriale su larga scala e non acquoso."

All'orizzonte, Nunes vede anche la tecnologia delle membrane come una soluzione praticabile per assistere gli sforzi attuali volti a ridurre al minimo le emissioni di anidride carbonica affrontando il problema all'inizio della catena del valore industriale.

"Penso che sia molto più efficace sostituire parte del processo impiegato nell'industria chimica, che rappresenta un'impronta di carbonio molto elevata", ha affermato. "Se i nuovi impianti in costruzione in Arabia Saudita possono incorporare all'inizio processi di separazione basati su membrane nuovi e più sostenibili, ciò contribuirà notevolmente all'economia circolare del carbonio". + Esplora ulteriormente

Membrane per la separazione su scala industriale di miscele chimiche