Ny membranteknologi utvecklad av ett team av forskare från Georgia Institute of Technology, Imperial College London, och ExxonMobil kan bidra till att minska koldioxidutsläpp och energiintensitet i samband med raffinering av råolja. Laboratorietester tyder på att denna polymermembranteknik kan ersätta vissa konventionella värmebaserade destillationsprocesser i framtiden.

Fraktionering av råoljeblandningar med värmebaserad destillation är storskalig, energikrävande process som står för nästan 1% av världens energianvändning:1, 100 terawattimmar per år (TWh/år), vilket motsvarar den totala energi som förbrukas av staten New York på ett år. Genom att ersätta lågenergimembranen för vissa steg i destillationsprocessen, den nya tekniken kan en dag möjliggöra implementering av ett hybridförädlingssystem som kan bidra till att minska koldioxidutsläpp och energiförbrukning betydligt jämfört med traditionella raffineringsprocesser.

"Mycket i våra moderna liv kommer från olja, så separationen av dessa molekyler gör vår moderna civilisation möjlig, "sa M.G. Finn, professor och ordförande för Georgia Tech's School of Chemistry and Biochemistry. Finn innehar också James A. Carlos familjestol för pediatrisk teknik. "Omfattningen av separationen som krävs för att tillhandahålla de produkter vi använder är otroligt stor. Denna membranteknik kan ha en betydande inverkan på den globala energiförbrukningen och de resulterande utsläppen från petroleumförädling."

Kommer att rapporteras i tidningen 17 juli Vetenskap , papperet tros vara den första rapporten om ett syntetiskt membran som är speciellt utformat för separering av råolja och råoljefraktioner. Ytterligare forskning och utveckling kommer att behövas för att avancera denna teknik till industriell skala.

Membranteknik används redan i stor utsträckning i sådana applikationer som avsaltning av havsvatten, men komplexiteten i petroleumraffinering har hittills begränsat användningen av membran. För att övervinna den utmaningen, forskargruppen utvecklade en ny spirocyklisk polymer som applicerades på ett robust underlag för att skapa membran som kan separera komplexa kolväteblandningar genom applicering av tryck snarare än värme.

Membran separerar molekyler från blandningar beroende på skillnader som storlek och form. När molekyler är mycket nära i storlek, att separationen blir mer utmanande. Med hjälp av en välkänd process för att skapa bindningar mellan kväve och kolatomer, polymererna konstruerades genom att ansluta byggstenar med en bockad struktur för att skapa störda material med inbyggda tomrum.

Teamet kunde balansera en mängd olika faktorer för att skapa rätt kombination av löslighet - för att möjliggöra att membran bildas genom enkel och skalbar bearbetning - och strukturell styvhet - för att låta vissa små molekyler passera lättare än andra. Oväntat, forskarna fann att materialen behövde en liten strukturell flexibilitet för att förbättra storleksdiskriminering, liksom förmågan att vara lite "klibbig" mot vissa typer av molekyler som finns rikligt i råolja.

Efter att ha designat de nya polymererna och uppnått några framgångar med en syntetisk bensin, flygbränsle, och dieselbränsleblandning, laget bestämde sig för att försöka separera ett råoljeprov och upptäckte att det nya membranet var ganska effektivt för att återvinna bensin och jetbränsle från den komplexa blandningen.

"Vi försökte initialt fraktionera en blandning av molekyler som var för lika, "sa Ben McCool, en senior forskningsassistent på ExxonMobil och en av tidningens medförfattare. "När vi tog ett mer komplext foder, råolja, vi fick fraktionalisering som såg ut som om den kunde ha kommit från en destillationskolonn, indikerar konceptets stora potential. "

Forskarna arbetade tillsammans med polymerer designade och testade på Georgia Tech, konverteras sedan till 200 nanometer tjocka filmer, och införlivad i membranmoduler på Imperial med hjälp av en roll-to-roll-process. Prover testades sedan på alla tre organisationer, tillhandahåller multilabbbekräftelse av membranfunktionerna.

"Vi har den grundläggande erfarenheten av att ta med nanofiltrering av organiskt lösningsmedel, en membranteknologi som används flitigt inom läkemedels- och kemikalieindustrin, till marknaden, "sade Andrew Livingston, professor i kemiteknik vid Imperial. "Vi arbetade mycket med ExxonMobil och Georgia Tech för att demonstrera skalbarhetspotentialen för denna teknik till de nivåer som krävs av petroleumindustrin."

Forskargruppen skapade en innovationsrörledning som sträcker sig från grundforskning hela vägen till teknik som kan testas under verkliga förhållanden.

"Vi förde ihop grundläggande vetenskap och kemi, grundläggande grundläggande tillverkning av membran, och teknisk analys av hur membran fungerar, "sa Ryan Lively, docent och John H. Woody fakultetkamrat vid Georgia Tech's School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Vi kunde gå från pulver i milligramskala hela vägen till prototyp av membranmoduler i kommersiella formfaktorer som utmanades med äkta råolja-det var fantastiskt att se denna innovationsrörledning i aktion."

ExxonMobils förhållande till Georgia Tech går nästan 15 år tillbaka och har producerat innovationer inom andra separationstekniker, inklusive ett nytt kolbaserat molekylsiktmembran som dramatiskt kan minska energin som krävs för att separera en klass kolvätemolekyler som kallas alkylaromater.

"Genom samarbete med starka akademiska institutioner som Georgia Tech och Imperial, vi arbetar ständigt med att utveckla framtidens energilösningar med lägre utsläpp, "sa Vijay Swarup, vice vd för forskning och utveckling på ExxonMobil Research and Engineering Company.