Een recent gepubliceerd artikel in Science "Polytriazoolmembranen met ultradunne afstembare selectieve laag voor fractionering van ruwe olie", biedt een innovatieve oplossing voor membraanontwikkeling voor unieke industriële omstandigheden, zoals koolwaterstoffractionering.

Geschreven door een groep wetenschappers onder leiding van Dr. Suzana Nunes, KAUST-hoogleraar chemische en milieuwetenschappen en engineering, en vice-provoost voor faculteits- en academische zaken, belicht het artikel een veelzijdige strategie om polytriazoolmembranen te fabriceren voor energie-efficiënte ruwe olie fractionering. De membranen zijn ook gunstig vanwege hun lage koolstofvoetafdruk en geschiktheid om de circulaire koolstofeconomie (CCE) te bevorderen.

"Ik werk al meer dan twintig jaar aan polytriazoolmembranen", zegt Nunes. "In dit artikel werd de aanpak voorgesteld door Dr. Stefan Chisca, onderzoekswetenschapper in ons laboratorium. Ik ben altijd op zoek naar polymeren die uitdagingen aankunnen die niet mogelijk zijn met een heel eenvoudig membraan."

Chisca is gespecialiseerd in het ontwikkelen van polymeren voor membraantoepassingen, met een focus op scheidingsprocessen met een minimaal energieverbruik. Voordat hij bij KAUST kwam, leidde Nunes membraanonderzoek als afdelingshoofd Membranen voor duurzame energie bij de Helmholtz-vereniging in Duitsland.

Hoewel de meeste commercieel beschikbare membranen zijn gebouwd voor wateromgevingen en kamertemperatuur, is er een unieke uitdaging bij het ontwikkelen van stabiele membranen voor zwaardere omstandigheden die worden gekenmerkt door verhoogde temperaturen en een breed scala aan organische oplosmiddelen en pH, zoals het geval is voor oliefractionering.

De scheidingsuitdaging aangaan door thermische verknoping

Een cruciaal maar zeer energie-intensief en kostbaar element dat veel voorkomt in de chemische, farmaceutische en petrochemische industrie is het scheidingsproces dat nodig is om oplosmiddelen en chemicaliën te zuiveren, de uitwisseling van oplosmiddelen te reguleren en katalysatoren te beheren. De meest voorkomende scheidingstechnieken zijn destillatie, adsorptie, verdamping en extractie.

Membraantechnologie biedt een alternatief met een lage CO2-voetafdruk dat als duurzamer wordt beschouwd. Deze industrieën vinden het echter moeilijk om conventionele scheidingsmethoden te vervangen omdat ze membranen nodig hebben om te voldoen aan strenge mechanische en thermische stabiliteitseisen om snelle fysieke veroudering en achteruitgang te voorkomen.

"De omgeving is ruw bij temperaturen van meer dan 100 graden, en wat je fractioneert, kan je membraan oplossen", zei Nunes.

Ze wees op de cruciale crosslinking-methodologie met behulp van thermische behandeling, die nodig is om het membraan voor te bereiden op interactie met de ruwe olie zonder volledig op te lossen. Polytriazoolmembranen zijn beter geschikt gebleken voor het scheiden van complexe niet-waterige mengsels. Het KAUST-team fabriceerde polytriazoolmembranen met 10 nanometer dunne selectieve lagen die sub-nanometerkanalen bevatten voor de scheiding van koolwaterstoffen.

Door gebruik te maken van de combinatie van thermische verknoping in combinatie met de conventionele niet-oplosmiddel-geïnduceerde fasescheiding (NIPS), bleken de behandelde polymere membranen geschikt voor zeer uitdagende chemische scheidingsprocessen. De ultradunne selectieve lagen en afstembare eigenschappen van polytriazoolmembranen, zoals permeanties, stellen hen in staat zich aan te passen aan een breed scala aan uitdagende vloeibare voedingen, sterke zuren en complexe mengsels zoals die in ruwe olie worden aangetroffen.

Analytische karakterisering met de Core Labs

Om de interacties tussen membraan en oplosmiddel beter te begrijpen, en ook het chemische modificatieproces door thermische behandeling, werkte het team van Nunes samen met wetenschappers van de KAUST Core Labs om het membraan en de olie zelf volledig te karakteriseren. Verschillende spectroscopische en microscopiemethoden werden gebruikt om de morfologie van de membranen voor en na verknoping te onderzoeken en de oliefractionering te volgen, wat resulteerde in de volledige karakterisering van eigenschappen.

"Ons werk met de Core Labs is vanaf de eerste dag uitstekend geweest", zei Nunes. "Deze Wetenschap papier is een uitstekend voorbeeld. Alle betrokkenen zijn van KAUST, van onze groep tot de wetenschappers van Core Labs. Ik denk dat het belangrijk is om te benadrukken dat het wetenschappers zijn die zijn opgeleid in het grensgebied van deze technieken. Dat kunnen we niet alleen."

Nunes dankt de publicatie van het onderzoek aan deze samenwerking.

Aanvragen voor het Koninkrijk

Nunes gelooft dat membraantechnologie Saoedi-Arabië kan helpen veel energie te besparen.

"Het doel en de droom is om grote regionale petrochemische bedrijven membraantechnologie te laten gebruiken als vervanging voor een deel van hun thermisch aangedreven scheidingsprocessen", deelde Nunes mee. "Het is de reden waarom we het doen. Het is de motivatie."

Een groot deel van het werk van haar groep bestaat uit het uitdragen van de visie om membranen te ontwikkelen die stabiel genoeg zijn voor gebruik in de chemische en petrochemische industrie. Het doel is om een ​​levensvatbaar alternatief te bieden voor klassieke scheidingsmethoden, die een veelvoud aan stappen en middelen vereisen. Nunes hoopt ook meer directe interacties aan te gaan met spelers in de chemische industrie in het Koninkrijk om hun behoeften beter te begrijpen en meer feedback te krijgen over hoogwaardige scheidingstechnologieën die worden uitgevoerd in organische oplosmiddelen en verhoogde temperaturen.

"Dit is de eerste stap in een lang verhaal", zei ze. "Er is meer werk aan de winkel om de membraanproductie op te schalen en ervoor te zorgen dat de technologie algemeen wordt geaccepteerd voor industrieel gebruik op grote schaal, niet-waterig."

Aan de horizon ziet Nunes ook membraantechnologie als een haalbare oplossing om de huidige inspanningen bij het minimaliseren van de uitstoot van kooldioxide te ondersteunen door het probleem aan het begin van de industriële waardeketen aan te pakken.

"Ik denk dat het veel effectiever is om een ​​deel van het proces dat in de chemische industrie wordt gebruikt, te vervangen, wat zorgt voor een zeer hoge CO2-voetafdruk", zei ze. "Als nieuwe fabrieken die in Saoedi-Arabië worden gebouwd, vanaf het begin nieuwe en duurzamere op membraan gebaseerde scheidingsprocessen kunnen bevatten, zal dit een grote bijdrage leveren aan de circulaire koolstofeconomie." + Verder verkennen

Membranen voor de scheiding van chemische mengsels op industriële schaal