Membranteknologi kan reducere emissioner og energiforbrug i olieraffinering

Ny membranteknologi udviklet af et team af forskere fra Georgia Institute of Technology, Imperial College London, og ExxonMobil kunne hjælpe med at reducere kulstofemissioner og energiintensitet i forbindelse med raffinering af råolie. Laboratorietest tyder på, at denne polymermembranteknologi i fremtiden kan erstatte nogle konventionelle varmebaserede destillationsprocesser.

Fraktionering af råolieblandinger ved hjælp af varmebaseret destillation er en storstilet, energiintensiv proces, der tegner sig for næsten 1 % af verdens energiforbrug:1, 100 terawatt-timer om året (TWh/år), hvilket svarer til det samlede energiforbrug i staten New York på et år. Ved at erstatte lavenergimembranerne med visse trin i destillationsprocessen, den nye teknologi vil måske en dag tillade implementering af et hybridt raffineringssystem, der kan hjælpe med at reducere kulstofemissioner og energiforbrug betydeligt sammenlignet med traditionelle raffineringsprocesser.

"Meget i vores moderne liv kommer fra olie, så adskillelsen af ​​disse molekyler gør vores moderne civilisation mulig, " sagde M.G. Finn, professor og formand for Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. Finn har også James A. Carlos Family Chair for Pediatric Technology. "Omfanget af den adskillelse, der kræves for at levere de produkter, vi bruger, er utrolig stor. Denne membranteknologi kan have en betydelig indflydelse på det globale energiforbrug og de deraf følgende emissioner fra olieforarbejdning."

Rapporteres i tidsskriftets 17. juli-udgave Videnskab , papiret menes at være den første rapport om en syntetisk membran specielt designet til adskillelse af råolie og råoliefraktioner. Yderligere forskning og udvikling vil være nødvendig for at fremme denne teknologi til industriel skala.

Membranteknologi er allerede meget brugt i sådanne applikationer som afsaltning af havvand, men kompleksiteten af ​​petroleumsraffinering har indtil nu begrænset brugen af ​​membraner. For at overvinde den udfordring, forskerholdet udviklede en ny spirocyklisk polymer, der blev påført et robust substrat for at skabe membraner i stand til at adskille komplekse kulbrinteblandinger gennem påføring af tryk frem for varme.

Membraner adskiller molekyler fra blandinger efter forskelle som størrelse og form. Når molekyler er meget tætte i størrelse, at adskillelse bliver mere udfordrende. Ved hjælp af en velkendt proces til dannelse af bindinger mellem nitrogen- og carbonatomer, polymererne blev konstrueret ved at forbinde byggesten med en bøjet struktur for at skabe uordnede materialer med indbyggede hulrum.

Holdet var i stand til at balancere en række faktorer for at skabe den rigtige kombination af opløselighed - for at gøre det muligt at danne membraner ved simpel og skalerbar forarbejdning - og strukturel stivhed - for at tillade nogle små molekyler at passere lettere igennem end andre. uventet, forskerne fandt ud af, at materialerne havde brug for en lille mængde strukturel fleksibilitet for at forbedre størrelsesdiskrimination, samt evnen til at være lidt "klæbrig" over for visse typer molekyler, der findes rigeligt i råolie.

Efter at have designet de nye polymerer og opnået en vis succes med en syntetisk benzin, flybrændstof, og dieselbrændstofblanding, holdet besluttede at prøve at separere en råolieprøve og opdagede, at den nye membran var ret effektiv til at genvinde benzin og jetbrændstof fra den komplekse blanding.

"Vi forsøgte oprindeligt at fraktionere en blanding af molekyler, der var for ens, " sagde Ben McCool, en senior research associate hos ExxonMobil og en af ​​papirets medforfattere. "Da vi tog et mere komplekst foder, råolie, vi fik fraktioneret, der så ud som om det kunne komme fra en destillationskolonne, indikerer konceptets store potentiale."

Forskerne arbejdede sammen, med polymerer designet og testet hos Georgia Tech, derefter konverteret til 200 nanometer tykke film, og inkorporeret i membranmoduler hos Imperial ved hjælp af en roll-to-roll-proces. Prøver blev derefter testet i alle tre organisationer, leverer multi-lab bekræftelse af membranen kapaciteter.

"Vi har den grundlæggende erfaring med at bringe organisk opløsningsmiddel nanofiltrering, en membranteknologi, der bliver meget udbredt i farmaceutiske og kemiske industrier, til markedet, " sagde Andrew Livingston, professor i kemiteknik ved Imperial. "Vi arbejdede indgående med ExxonMobil og Georgia Tech for at demonstrere denne teknologis skalerbarhedspotentiale til de niveauer, der kræves af olieindustrien."

Forskerholdet skabte en innovationspipeline, der strækker sig fra grundforskning hele vejen til teknologi, der kan testes under virkelige forhold.

"Vi samlede grundlæggende videnskab og kemi, anvendte grundlæggende membranfremstilling, og teknisk analyse af, hvordan membraner fungerer, " sagde Ryan Lively, lektor og John H. Woody fakultet stipendiat i Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Vi var i stand til at gå fra pulver i milligramskala hele vejen til prototype af membranmoduler i kommercielle formfaktorer, der blev udfordret med ægte råolie-det var fantastisk at se denne innovationsrørledning i aktion."

ExxonMobils forhold til Georgia Tech går næsten 15 år tilbage og har produceret innovationer inden for andre adskillelsesteknologier, herunder en ny kulstofbaseret molekylsigtemembran, der dramatisk kunne reducere den energi, der kræves for at adskille en klasse af kulbrintemolekyler kendt som alkylaromater.

"Gennem samarbejde med stærke akademiske institutioner som Georgia Tech og Imperial, vi arbejder konstant på at udvikle fremtidens energiløsninger med lavere emissioner, " sagde Vijay Swarup, vicepræsident for forskning og udvikling hos ExxonMobil Research and Engineering Company.