Neutroner giver ny polering til olieforarbejdning og mere

University of Notre Dame forskere bruger neutroner ved Department of Energy's (DOE's) Oak Ridge National Laboratory (ORNL) til at studere, hvordan specialiserede molekyler kan forbedre olieproduktionsprocesser, samt deres potentielle anvendelser i avancerede solcelleteknologier.

"Uanset hvad du vil bruge petroleum til - uanset om det er brændstof, råvare, eller fremstilling af syntetiske organiske kemikalier - du vil bruge det lige så effektivt, så omkostningseffektivt, og på en så miljøvenlig måde som muligt, " sagde Peter Kilpatrick, en professor ved Notre Dame.

Specifikt, Kilpatrick og ph.d. kandidat McKay Rytting vil vide, hvilke virkninger funktionaliserede molekyler kaldet petroporphyriner har på asfaltener - mørkt farvede, højmolekylære molekyler, der er rigeligt af tung råolie.

"Asfaltener forårsager alle mulige problemer i petroleumsrelaterede processer. De klæber til rørvæggene, når du pumper dem; de tilstopper rørene, der bruges til transport, og de producerer emulsioner, "Sagde Kilpatrick. "Stort set alle udfordringerne forbundet med olieforarbejdning kommer fra asfaltener."

På samme måde som jern binder til hæmoglobin - som transporterer ilt fra vores lunger gennem blodbanen - er petroporphyriner ansvarlige for at binde tungmetaller i organiske systemer for at katalysere nødvendige reaktioner. Meget ligesom asfaltener, petroporphyriner er også relativt rigelige i tungt råolie.

"Porphyriner er en slags nøglen til at finde ud af, hvordan petroleum kom fra livet - fra organiske livsformer, der døde, " sagde Rytting. "Da forskerne begyndte at finde porphyrinmolekyler i petroleum, de begyndte at forbinde dem med hæmoglobin og klorofyl, og det var sådan, vi skabte forbindelsen."

Porphyrinmolekyler er farvestrålende - nogle lilla, grøn, blå, og så videre – og hver variation har forskellige funktioner. Deres ringformede struktur tillader forskellige atomer at "hænge ud af kanterne" af porphyrinringen, der er fælles for alle porphyriner; og disse grupperinger er det, der bestemmer molekylets egenskaber såsom overordnet farve, hvordan de absorberer lys, og hvordan de interagerer med asfaltener.

For flere år siden, Kilpatrick og hans team udviklede en metode til at rense og udvinde petroporphyriner fra olie. De mener, at de mere funktionaliserede petroporphyriner kunne bruges til at afbøde mange af de problematiske adfærd, der opstår fra asfaltenaggregering.

Fordi neutroner er meget gennemtrængende og følsomme over for lette elementer som brint, de kan bruges til at spore individuelle atomer og molekylære funktionelle grupper i tætte strukturer for at afsløre, hvordan de fungerer.

Det udvidede Q-område spredningsdiffraktometer med lille vinkel, eller EQ-SANS-instrumentet, på ORNL's Spallation Neutron Source - en DOE Office of Science User Facility - giver holdet mulighed for at studere et stort antal prøver for bedre at forstå, hvordan petroporphyriner og asfaltener interagerer på molekylært niveau.

"Grunden til, at neutronspredning er perfekt til denne forskning, er, at vi kan variere mængden af ​​brint i vores opløsningsmiddel ved at bruge deutererede eller hydrogenerede opløsningsmidler, som fortæller os, hvor meget opløsningsmiddel der er blevet absorberet af tilslaget. Vi tror, ​​at dette vil kaste lys over mere effektive behandlingsmetoder og måske endda nye anvendelser inden for solcelleanlæg, sagde Rytting.

"Vi tror, ​​at disse porphyriner har en masse andre anvendelser, som ingen engang har tænkt over, fordi de aldrig har renset disse molekyler fra petroleum, som vi har været i stand til at gøre, " sagde Kilpatrick. "Neutroner er ideelle til at hjælpe os med at realisere deres potentiale."