Nový přístup k frakcionaci ropy s výrazně nižší spotřebou energie

Oddělování surové ropy na produkty, jako je benzín, nafta a topný olej, je energeticky náročný proces, který se podílí na zhruba 6 % světových emisí CO₂. Většina této energie se spotřebuje na teplo potřebné k separaci složek podle jejich bodu varu.

V průlomovém objevu, který by mohl dramaticky snížit množství energie potřebné k frakcionaci ropy, vyvinuli inženýři z MIT membránu, která filtruje složky surové ropy podle jejich molekulové velikosti.

„Toto je zcela nový způsob, jak si představit separační proces. Místo vaření směsí pro jejich čištění, proč neoddělovat komponenty na základě tvaru a velikosti? Klíčovou inovací je, že filtry, které jsme vyvinuli, dokáží oddělit velmi malé molekuly na atomární úrovni,“ říká Zachary P. Smith, docent chemického inženýrství na MIT a vedoucí autor nové studie.

Nová filtrační membrána dokáže efektivně oddělovat těžké a lehké složky z ropy a je odolná vůči bobtnání, ke kterému dochází u jiných typů membrán pro separaci ropy. Membrána je tenký film, který lze vyrábět pomocí techniky, která je již široce používána v průmyslových procesech, což by potenciálně umožnilo její rozšířené použití.

Taehoon Lee, bývalý postdoktorand MIT, který je nyní asistentem profesora na Sungkyunkwanské univerzitě v Jižní Koreji, je hlavním autorem článku, který vyšel dnes v časopise Science.

Frakcionace ropy

Konvenční tepelné procesy pro frakcionaci surové ropy tvoří asi 1 % globální spotřeby energie a odhaduje se, že použití membrán pro separaci surové ropy by mohlo snížit potřebné množství energie asi o 90 %. Aby to bylo úspěšné, musí separační membrána umožnit rychlý průchod uhlovodíků a selektivně filtrovat sloučeniny různých velikostí.

Doposud se většina snah o vývoj filtrační membrány pro uhlovodíky zaměřovala na polymery s vlastní mikroporozitou (PIM), včetně jednoho známého jako PIM-1. Ačkoli tento porézní materiál umožňuje rychlou přepravu uhlovodíků, má tendenci nadměrně absorbovat některé organické sloučeniny, když procházejí membránou, což vede k bobtnání filmu, které narušuje jeho schopnost třídění podle velikosti.

Aby našli lepší alternativu, tým z MIT se rozhodl upravit polymery používané pro reverzní osmózu při odsolování vody. Od jejich zavedení v 70. letech 20. století membrány reverzní osmózy snížily spotřebu energie při odsolování přibližně o 90 % – pozoruhodný příběh průmyslového úspěchu.

Nejčastěji používanou membránou pro odsolování vody je polyamid, který se vyrábí metodou zvanou mezifázová polymerace. Během tohoto procesu se na rozhraní mezi vodou a organickým rozpouštědlem, jako je hexan, vytvoří tenký polymerní film. Voda a hexan se normálně nemísí, ale na rozhraní mezi nimi může malá část v nich rozpuštěných sloučenin reagovat navzájem.

V tomto případě reaguje hydrofilní monomer zvaný MPD, rozpuštěný ve vodě, s hydrofobním monomerem zvaným TMC, rozpuštěným v hexanu. Oba monomery jsou spojeny spojením známým jako amidová vazba, čímž se na vodně-hexanovém rozhraní vytvoří tenký polyamidový film (nazvaný MPD-TMC).

Ačkoli je MPD-TMC vysoce účinný pro odsolování vody, nemá správné velikosti pórů a odolnost proti bobtnání, která by umožnila separaci uhlovodíků.

Aby výzkumníci přizpůsobili materiál pro separaci uhlovodíků nacházejících se v surové ropě, nejprve modifikovali film změnou vazby, která spojuje monomery z amidové vazby na iminovou vazbu. Tato vazba je tužší a hydrofobnější, což umožňuje uhlovodíkům rychle se pohybovat membránou bez znatelného bobtnání filmu ve srovnání s polyamidovým protějškem.

„Polyiminový materiál má pórovitost, která se tvoří na rozhraní, a kvůli přídavné síťovací chemii, kterou jsme přidali, máte nyní něco, co se nenafoukne,“ říká Smith. „Vyrobíte to v olejové fázi, necháte to reagovat na vodním rozhraní a díky síťováním je to nyní znehybněno. A tak se tyto póry, i když jsou vystaveny uhlovodíkům, již nenafukují jako jiné materiály.“

Výzkumníci také zavedli monomer zvaný triptycen. Tato tvarově stálá, molekulárně selektivní molekula dále pomáhá výsledným polyiminům tvořit póry, které mají správnou velikost pro průchod uhlovodíků.

Tento přístup představuje „důležitý krok směrem ke snížení průmyslové spotřeby energie,“ říká Andrew Livingston, profesor chemického inženýrství na Queen Mary University of London, který se na studii nepodílel.

„Tato práce bere technologii membránového odsolování, mezifázovou polymeraci, a vytváří nový způsob, jak ji aplikovat na organické systémy, jako jsou suroviny uhlovodíků, které v současné době spotřebovávají velké kusy globální energie,“ říká Livingston. „Imaginativní přístup s využitím mezifázového katalyzátoru v kombinaci s hydrofobními monomery vede k membránám s vysokou propustností a vynikající selektivitou a práce ukazuje, jak je lze použít v relevantních separacích.“

Účinné oddělení

Když výzkumníci použili novou membránu k filtrování směsi toluenu a triisopropylbenzenu (TIPB) jako měřítko pro hodnocení separačního výkonu, dosáhla koncentrace toluenu 20krát větší než jeho koncentrace v původní směsi. Membránu také testovali s průmyslově relevantní směsí sestávající z nafty, petroleje a nafty a zjistili, že dokáže efektivně oddělovat těžší a lehčí sloučeniny podle jejich molekulové velikosti.

Pokud by se přizpůsobila pro průmyslové použití, série těchto filtrů by se dala použít k vytvoření vyšší koncentrace požadovaných produktů v každém kroku, říkají výzkumníci.

„Můžete si představit, že s takovou membránou byste mohli mít počáteční fázi, která nahradí kolonku pro frakcionaci surové ropy. Mohli byste oddělit těžké a lehké molekuly a poté použít různé membrány v kaskádě k čištění komplexních směsí a izolace chemikálií, které potřebujete,“ říká Smith.

Mezifázová polymerace se již široce používá k vytváření membrán pro čištění vody a výzkumníci se domnívají, že by mělo být možné přizpůsobit tyto procesy pro hromadnou výrobu filmů, které navrhli v této studii.

„Hlavní výhodou mezifázové polymerace je, že je to již dobře zavedená metoda pro přípravu membrán pro čištění vody, takže si můžete představit, že tyto chemie jednoduše přizpůsobíte stávajícím výrobním linkám,“ říká Lee.

Výzkum byl částečně financován společností ExxonMobil prostřednictvím iniciativy MIT Energy Initiative.