Καινοτόμα μεμβράνη MIT εξοικονομή ενέργεια στον διαχωρισμού αργού πετρελαίου
Η επεξεργασία αργού πετρελαίου σε βενζίνη, ντίζελ και πετρέλαιο θέρμανσης απαιτεί τεράστιες ποσότητες ενέργειας, καθώς γίνεται μέσω θερμικής κλασματοποίησης μια διαδικασία που ευθύνεται για περίπου το 6% των παγκόσμιων εκπομπών CO₂. Σύμφωνα με τους ερευνητές, ο μεγαλύτερος ενεργειακός παράγοντας σε αυτήν τη διαδικασία είναι το ζέσταμα του αργού πετρελαίου, προκειμένου να εξαχθούν τα συστατικά του σε διαφορετικά κλάσματα με βάση τα σημεία βρασμού τους.
Στις πρόσφατες ανακαλύψεις του MIT, όμως, ανοίγει ο δρόμος για μια ριζική αναθεώρηση αυτής της βιομηχανικής μεθόδου. Μια καινοτόμος μεμβράνη φιλτραρίσματος μοριακού μεγέθους μπορεί να διαχωρίζει τα συνθετικά στοιχεία του αργού πετρελαίου χωρίς να απαιτείται θέρμανση. Οι καθηγητές και μηχανικοί του MIT κατάφεραν να αξιοποιήσουν τεχνικές διεπιφανειακού πολυμερισμού οι ίδιες που χρησιμοποιούνται εδώ και δεκαετίες στην αφαλάτωση προσαρμόζοντάς τες για την κατασκευή μεμβρανών που φιλτράρουν υδρογονάνθρακες με βάση το μοριακό τους βάρος.
Αντί να βράζει κανείς το αργό πετρέλαιο, γιατί να μην το «κοσκινίζει» χρησιμοποιώντας ένα λεπτό φιλτράρισμα μοριακού επιπέδου; Αυτό ακριβώς σκέφτηκαν οι ερευνητές, ξεκινώντας από τις μεμβράνες πολυαμιδίου που είναι κλασικές στην αντίστροφη όσμωση. Με την τεχνική διεπιφανειακού πολυμερισμού, σχηματίζεται μια πολύ λεπτή στιβάδα πολυμερούς στη διαχωριστική επιφάνεια νερού και εξανίου μια διεργασία που ήδη μειώνει κατά 90% την ενέργεια της αφαλάτωσης.
Στην περίπτωση του αργού πετρελαίου, το πολυαμίδιο MPD-TMC (που σχηματίζεται από τη σύνδεση υδρόφιλου μονομερούς MPD με υδρόφοβο TMC) παρουσιάζει πόρους, αλλά «πρήζεται» όταν έρχεται σε επαφή με υδρογονάνθρακες. Η διόγκωση μειώνει δραματικά την επιλεκτικότητα, καθιστώντας τη μεμβράνη αναποτελεσματική για διαχωρισμό πετρελαίου. Για να το αντιμετωπίσουν, οι ερευνητές άλλαξαν τον αμιδικό δεσμό σε ιμίνης, δημιουργώντας πολυϊμίνη: ένα υλικό πιο άκαμπτο, πιο υδρόφοβο και πολύ ανθεκτικό στη διόγκωση.
Παράλληλα, προσέθεσαν στην πρώτη ύλη ένα μόριο τριπτυκένιο. Λόγω της δομής του, βοηθά στη δημιουργία πόρων ακριβώς στο κατάλληλο μέγεθος, έτσι ώστε τα ελαφριά και βαριά μόρια του πετρελαίου να «κοσκινίζονται» αποτελεσματικά. Το αποτέλεσμα είναι ένα λεπτότατο μαλακό φιλτράρισμα, το οποίο επιτρέπει στους υδρογονάνθρακες να περνούν με ταχύτητα, χωρίς να αλλοιώνει τη δομή του.
Σε εργαστηριακές δοκιμές, οι μηχανικοί του MIT χρησιμοποίησαν ένα μίγμα τολουολίου και τριισοπροπυλοβενζολίου (TIPB) ως πρότυπο. Η μεμβράνη συγκέντρωσε το τολουόλιο σε συγκέντρωση 20 φορές υψηλότερη από την αρχική ένα εντυπωσιακό στοιχείο για φιλτράρισμα σε μοριακή κλίμακα. Όταν, μάλιστα, δοκίμασαν την ίδια μεμβράνη σε ένα βιομηχανικά σχετικό μίγμα ναφθάς, κηροζίνης και ντίζελ, κατάφεραν να διαχωρίσουν σαφώς τα βαρέα από τα ελαφρά κλάσματα.
Αν αυτή η τεχνολογία προσαρμοστεί σε βιομηχανική κλίμακα, θα μπορούσε να αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό τις παραδοσιακές στήλες κλασματοποίησης, μειώνοντας κατά 90% την ενέργεια που σήμερα καταναλώνεται. Στην πράξη, μια σειρά τέτοιων μεμβρανών σε καταρράκτη (δηλαδή σε διαδοχικά στάδια) θα μπορούσε να παράγει υψηλής καθαρότητας καύσιμα χωρίς την ανάγκη συνεχούς θέρμανσης του ακατέργαστου αργού πετρελαίου.
Οι ερευνητές επισημαίνουν ότι η ίδια μέθοδος διεπιφανειακού πολυμερισμού που εδώ και πάνω από μισό αιώνα χρησιμοποιείται για την αφαλάτωση μπορεί να αξιοποιηθεί «αστραπιαία» για να παραχθούν μεμβράνες πολυϊμίνης σε βιομηχανική κλίμακα. Εφόσον τα χημικά αντιδραστήρια (MPD, TMC, τρίπτυκ) ενταχθούν απευθείας σε υπάρχουσες γραμμές παραγωγής μεμβρανών, θα χρειαστούν μικρές μόνο τροποποιήσεις για να δοθεί το «πράσινο φως» σε μαζική κλίμακα.
Το κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας θα είναι συγκριτικά χαμηλό, δεδομένου ότι δεν απαιτούνται νέες στήλες απόσταξης ή πρόσθετες πηγές θερμότητας. Έτσι, η μετάβαση θα μπορούσε να γίνει γρήγορα, προστατεύοντας τόσο το περιβάλλον όσο και τους οικονομικούς πόρους των διυλιστηρίων.
