Nieuwe membraantechnologie ontwikkeld door een team van onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, Imperial College Londen, en ExxonMobil zou kunnen helpen de koolstofemissies en de energie-intensiteit in verband met de raffinage van ruwe olie te verminderen. Laboratoriumtests suggereren dat deze polymeermembraantechnologie in de toekomst enkele conventionele op warmte gebaseerde destillatieprocessen zou kunnen vervangen.

Fractionering van mengsels van ruwe olie met behulp van op warmte gebaseerde destillatie is een grootschalige, energie-intensief proces dat goed is voor bijna 1% van het wereldwijde energieverbruik:1, 100 terawattuur per jaar (TWh/jr), wat overeenkomt met het totale energieverbruik van de staat New York in een jaar. Door de energiezuinige membranen te vervangen voor bepaalde stappen in het destillatieproces, de nieuwe technologie zou op een dag de implementatie van een hybride raffinagesysteem mogelijk kunnen maken dat zou kunnen helpen de koolstofemissies en het energieverbruik aanzienlijk te verminderen in vergelijking met traditionele raffinageprocessen.

"Veel in ons moderne leven komt van olie, dus de scheiding van deze moleculen maakt onze moderne beschaving mogelijk, " zei MG Finn, professor en voorzitter van Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. Finn bekleedt ook de James A. Carlos Family Chair voor Pediatric Technology. "De schaal van de scheiding die nodig is om de producten die we gebruiken te leveren, is ongelooflijk groot. Deze membraantechnologie kan een aanzienlijke impact hebben op het wereldwijde energieverbruik en de resulterende emissies van aardolieverwerking."

Wordt gerapporteerd in het nummer van het tijdschrift van 17 juli Wetenschap , het papier wordt beschouwd als het eerste rapport van een synthetisch membraan dat speciaal is ontworpen voor de scheiding van ruwe olie en ruwe-oliefracties. Er is aanvullend onderzoek en ontwikkeling nodig om deze technologie naar industriële schaal te brengen.

Membraantechnologie wordt al veel gebruikt in toepassingen als ontzilting van zeewater, maar de complexiteit van aardolieraffinage heeft tot nu toe het gebruik van membranen beperkt. Om die uitdaging te overwinnen, het onderzoeksteam ontwikkelde een nieuw spirocyclisch polymeer dat op een robuust substraat werd aangebracht om membranen te creëren die complexe koolwaterstofmengsels kunnen scheiden door middel van druk in plaats van warmte.

Membranen scheiden moleculen van mengsels op basis van verschillen zoals grootte en vorm. Wanneer moleculen zeer dicht in grootte zijn, die scheiding wordt uitdagender. Met behulp van een bekend proces voor het maken van bindingen tussen stikstof- en koolstofatomen, de polymeren werden geconstrueerd door bouwstenen met een geknikte structuur met elkaar te verbinden om ongeordende materialen te creëren met ingebouwde lege ruimtes.

Het team was in staat om verschillende factoren in evenwicht te brengen om de juiste combinatie van oplosbaarheid te creëren - om membranen te kunnen vormen door eenvoudige en schaalbare verwerking - en structurele stijfheid - om sommige kleine moleculen gemakkelijker door te laten dan andere. Onverwacht, de onderzoekers ontdekten dat de materialen een kleine hoeveelheid structurele flexibiliteit nodig hadden om de groottediscriminatie te verbeteren, evenals het vermogen om enigszins "plakkerig" te zijn ten opzichte van bepaalde soorten moleculen die overvloedig in ruwe olie worden aangetroffen.

Na het ontwerpen van de nieuwe polymeren en het behalen van enig succes met een synthetische benzine, vliegtuigbrandstof, en dieselbrandstofmengsel, het team besloot om te proberen een monster van ruwe olie te scheiden en ontdekte dat het nieuwe membraan behoorlijk effectief was in het terugwinnen van benzine en vliegtuigbrandstof uit het complexe mengsel.

"We probeerden aanvankelijk een mengsel van moleculen te fractioneren die te veel op elkaar leken, " zei Ben McCool, een senior onderzoeksmedewerker bij ExxonMobil en een van de co-auteurs van het artikel. "Toen we een complexere voeding aannamen, Ruwe olie, we hebben fractionering die eruitzag alsof het afkomstig kon zijn van een destillatiekolom, wat wijst op het grote potentieel van het concept."

De onderzoekers werkten samen, met polymeren ontworpen en getest door Georgia Tech, vervolgens omgezet in films van 200 nanometer dik, en opgenomen in membraanmodules bij Imperial met behulp van een roll-to-roll-proces. Monsters werden vervolgens getest bij alle drie de organisaties, het verstrekken van multi-lab bevestiging van de membraanmogelijkheden.

"We hebben de fundamentele ervaring om nanofiltratie van organische oplosmiddelen te brengen, een membraantechnologie die op grote schaal wordt gebruikt in de farmaceutische en chemische industrie, Naar de markt, " zei Andrew Livingston, hoogleraar chemische technologie aan het Imperial. "We hebben uitgebreid samengewerkt met ExxonMobil en Georgia Tech om het schaalbaarheidspotentieel van deze technologie aan te tonen tot de niveaus die vereist zijn door de aardolie-industrie."

Het onderzoeksteam creëerde een innovatiepijplijn die zich uitstrekt van fundamenteel onderzoek tot technologie die kan worden getest in reële omstandigheden.

"We brachten fundamentele wetenschap en scheikunde samen, toegepaste grondbeginselen van de membraanvervaardiging, en technische analyse van hoe membranen werken, " zei Ryan Lively, universitair hoofddocent en John H. Woody-faculteitsgenoot aan de School of Chemical and Biomolecular Engineering van Georgia Tech. "We waren in staat om van poeders op milligramschaal helemaal naar prototype membraanmodules in commerciële vormfactoren te gaan die werden uitgedaagd met echte ruwe olie - het was fantastisch om deze innovatiepijplijn in actie te zien."

De relatie van ExxonMobil met Georgia Tech gaat bijna 15 jaar terug en heeft geleid tot innovaties in andere scheidingstechnologieën, inclusief een nieuw op koolstof gebaseerd moleculaire zeefmembraan dat de energie die nodig is om een ​​klasse koolwaterstofmoleculen, bekend als alkylaromaten, te scheiden, drastisch kan verminderen.

"Door samenwerking met sterke academische instellingen zoals Georgia Tech en Imperial, we werken voortdurend aan de ontwikkeling van de emissiearme energieoplossingen van de toekomst, " zei Vijay Swarup, vice-president van onderzoek en ontwikkeling bij ExxonMobil Research and Engineering Company.