Udvikling af bæredygtige membraner til fremtidig energi

En nyligt offentliggjort artikel i Science "Polytriazolmembraner med ultratyndt afstembart selektivt lag til fraktionering af råolie," tilbyder en innovativ membranudviklingsløsning til at håndtere unikke industrielle forhold, såsom kulbrintefraktionering.

Forfattet af en gruppe videnskabsmænd under ledelse af Dr. Suzana Nunes, KAUST-professor i kemi- og miljøvidenskab og ingeniørvidenskab, og viceprost for fakultet og akademiske anliggender, fremhæver papiret en alsidig strategi til fremstilling af polytriazolmembraner til energieffektiv råolie fraktionering. Membranerne er også fordelagtige på grund af deres egenskaber med lavt CO2-fodaftryk og egnethed til at fremme den cirkulære kulstoføkonomi (CCE).

"Jeg har arbejdet på polytriazolmembraner i mere end tyve år," sagde Nunes. "I dette papir blev tilgangen foreslået af Dr. Stefan Chisca, forsker i vores laboratorium. Jeg leder altid efter polymerer, der kan tage udfordringer, som ikke er mulige med en meget simpel membran."

Chisca har specialiseret sig i at udvikle polymerer til membranapplikationer med fokus på separationsprocesser, der involverer minimalt energiforbrug. Før Nunes kom til KAUST, ledede Nunes membranforskning som afdelingsleder for Membraner for Bæredygtig Energi i Tysklands Helmholtz Association.

Mens de fleste kommercielt tilgængelige membraner er bygget til vandmiljøer og stuetemperatur, er der en unik udfordring i at udvikle stabile membraner til hårdere forhold karakteriseret ved forhøjede temperaturer og en bred vifte af organiske opløsningsmidler og pH, såsom tilfældet med oliefraktionering.

Opfyldelse af adskillelsesudfordringen gennem termisk tværbinding

Et afgørende, men meget energikrævende og kostbart element, der er fælles for den kemiske, farmaceutiske og petrokemiske industri, er den separationsprocessen, der kræves for at rense opløsningsmidler og kemikalier, regulere opløsningsmiddeludveksling og styre katalysatorer. De mest almindelige separationsteknikker omfatter destillation, adsorption, fordampning og ekstraktion.

Membranteknologi tilbyder et alternativ med lavt kulstofaftryk, der anses for at være mere bæredygtigt. Disse industrier finder det imidlertid vanskeligt at erstatte konventionelle adskillelsesmetoder, fordi de ville have brug for membraner for at opfylde strenge krav til mekanisk og termisk stabilitet for at forhindre hurtig fysisk ældning og forringelse.

"Miljøet er ujævnt ved temperaturer på mere end 100 grader, og det, du fraktionerer, kan opløse din membran," sagde Nunes.

Hun pegede på den afgørende tværbindingsmetodologi ved hjælp af termisk behandling, der er nødvendig for at forberede membranen til at interagere med råolien uden at opløses fuldstændigt. Polytriazolmembraner har vist sig at være bedre egnede til at adskille komplekse ikke-vandige blandinger. KAUST-teamet fremstillede polytriazolmembraner med 10 nanometer-tynde selektive lag indeholdende sub-nanometer-kanaler til separation af kulbrinter.

Ved at bruge kombinationen af ​​termisk tværbinding i tandem med den konventionelle ikke-opløsningsmiddel-inducerede faseseparation (NIPS), viste de behandlede polymere membraner sig egnede til meget udfordrende kemiske separationsprocesser. De ultratynde selektive lag og afstembare egenskaber ved polytriazolmembraner, såsom permeanser, gør det muligt for dem at tilpasse sig en bred vifte af udfordrende flydende foderstoffer, stærke syrer og komplekse blandinger som dem, der findes i råolie.

Analytisk karakterisering med Core Labs

For bedre at forstå membran- og opløsningsmiddel-interaktionerne, og også den kemiske modifikationsproces gennem termisk behandling, arbejdede Nunes' team sammen med forskere på KAUST Core Labs for fuldt ud at karakterisere membranen og selve olien. Forskellige spektroskopiske og mikroskopiske metoder blev brugt til at undersøge morfologien af ​​membranerne før og efter tværbinding og følge oliefraktioneringen, hvilket resulterede i fuld karakterisering af egenskaber.

"Vores arbejde med Core Labs har været fremragende fra dag ét," sagde Nunes. "Denne videnskab papir er et glimrende eksempel. Alle involverede er fra KAUST, fra vores gruppe til Core Labs-forskerne. Jeg tror, ​​det er vigtigt at fremhæve, at de er videnskabsmænd, der er uddannet i grænsen for disse teknikker. Vi kunne ikke gøre det alene."

Nunes krediterer offentliggørelsen af ​​forskningen til denne samarbejdsindsats.

Ansøgninger om Kongeriget

Nunes mener, at membranteknologi kan hjælpe Saudi-Arabien med at spare en masse energi.

"Målet og drømmen er at få store regionale petrokemiske virksomheder til at bruge membranteknologi som en erstatning for en del af deres termisk drevne separationsprocesser," fortalte Nunes. "Det er grunden til, at vi gør det. Det er motivationen."

En stor del af hendes gruppes arbejde går ud på at fremme visionen om at udvikle membraner, der er stabile nok til at blive brugt i den kemiske og petrokemiske industri. Målet er at give et levedygtigt alternativ til klassiske adskillelsesmetoder, som kræver et væld af trin og ressourcer. Nunes håber også at indgå i mere direkte interaktioner med aktører i den kemiske industri i Kongeriget for bedre at forstå deres behov og få mere feedback om højtydende separationsteknologier udført i organiske opløsningsmidler og forhøjede temperaturer.

"Dette er det første skridt i en lang historie," sagde hun. "Der er mere arbejde at gøre for at opskalere membranproduktion og få teknologien til at blive bredt accepteret til ikke-vandig industriel brug i stor skala."

I horisonten ser Nunes også membranteknologi som en levedygtig løsning til at hjælpe de nuværende bestræbelser på at minimere kuldioxidemissioner ved at løse problemet i starten af ​​den industrielle værdikæde.

"Jeg tror, ​​det er meget mere effektivt at erstatte en del af den proces, der anvendes i den kemiske industri, som tegner sig for et meget højt CO2-fodaftryk," sagde hun. "Hvis nye anlæg, der bygges i Saudi-Arabien, kan inkorporere nye og mere bæredygtige membranbaserede separationsprocesser i begyndelsen, vil det i høj grad bidrage til den cirkulære kulstoføkonomi." + Udforsk yderligere

Membraner til adskillelse af kemiske blandinger i industriel skala