En nyligen publicerad artikel i Science "Polytriazolmembran med ultratunt avstämbart selektivt skikt för fraktionering av råolje," erbjuder en innovativ membranutvecklingslösning för att hantera unika industriella förhållanden, såsom kolvätefraktionering.

Författad av en grupp forskare under ledning av Dr. Suzana Nunes, KAUST professor i kemi- och miljövetenskap och ingenjörsvetenskap, och vice provost för fakultets- och akademiska frågor, belyser artikeln en mångsidig strategi för att tillverka polytriazolmembran för energieffektiv råolja fraktionering. Membranen är också fördelaktiga för sina låga koldioxidavtrycksegenskaper och lämplighet för att främja den cirkulära koldioxidekonomin (CCE).

"Jag har arbetat med polytriazolmembran i mer än tjugo år," sa Nunes. "I den här artikeln föreslogs tillvägagångssättet av Dr. Stefan Chisca, forskare i vårt labb. Jag letar alltid efter polymerer som kan ta utmaningar som inte är möjliga med ett väldigt enkelt membran."

Chisca är specialiserat på att utveckla polymerer för membranapplikationer, med fokus på separationsprocesser som involverar minimal energiförbrukning. Innan Nunes började på KAUST ledde Nunes membranforskning som avdelningschef för Membraner för hållbar energi vid Tysklands Helmholtz Association.

Medan de flesta kommersiellt tillgängliga membran är byggda för vattenmiljöer och rumstemperatur, finns det en unik utmaning att utveckla stabila membran för tuffare förhållanden som kännetecknas av förhöjda temperaturer och ett brett utbud av organiska lösningsmedel och pH-värden, till exempel fallet med oljefraktionering.

Möta separationsutmaningen genom termisk tvärbindning

Ett avgörande men mycket energikrävande och kostsamt element som är gemensamt för kemiska, läkemedels- och petrokemiska industrier är separationsprocessen som krävs för att rena lösningsmedel och kemikalier, reglera lösningsmedelsutbyte och hantera katalysatorer. De vanligaste separationsteknikerna inkluderar destillation, adsorption, indunstning och extraktion.

Membranteknologi erbjuder ett alternativ med lågt koldioxidavtryck som anses vara mer hållbart. Dessa industrier har dock svårt att ersätta konventionella separationsmetoder eftersom de skulle behöva membran för att uppfylla stränga krav på mekanisk och termisk stabilitet för att förhindra snabb fysisk åldring och försämring.

"Miljön är grov vid temperaturer på mer än 100 grader, och det du fraktionerar kan lösa upp ditt membran," sa Nunes.

Hon pekade på den avgörande tvärbindningsmetodologin med användning av termisk behandling, som behövs för att förbereda membranet för att interagera med råoljan utan att helt lösas upp. Polytriazolmembran har visat sig vara bättre lämpade för att separera komplexa icke-vattenhaltiga blandningar. KAUST-teamet tillverkade polytriazolmembran med 10 nanometertunna selektiva skikt innehållande subnanometerkanaler för separering av kolväten.

Genom att använda kombinationen av termisk tvärbindning i tandem med den konventionella icke-lösningsmedelsinducerade fasseparationen (NIPS), visade sig de behandlade polymermembranen vara lämpliga för mycket utmanande kemiska separationsprocesser. De ultratunna selektiva skikten och avstämbara egenskaperna hos polytriazolmembran, såsom permeanser, gör att de kan anpassa sig till ett stort antal utmanande flytande foder, starka syror och komplexa blandningar som de som finns i råolja.

Analytisk karakterisering med Core Labs

För att bättre förstå interaktionerna mellan membran och lösningsmedel, och även den kemiska modifieringsprocessen genom termisk behandling, arbetade Nunes team med forskare vid KAUST Core Labs för att helt karakterisera själva membranet och oljan. Olika spektroskopiska och mikroskopiska metoder användes för att undersöka morfologin hos membranen före och efter tvärbindning och följa oljefraktioneringen, vilket resulterade i fullständig karaktärisering av egenskaper.

"Vårt arbete med Core Labs har varit enastående från dag ett," sa Nunes. "Denna vetenskap papper är ett utmärkt exempel. Alla inblandade är från KAUST, från vår grupp till Core Labs-forskarna. Jag tror att det är viktigt att betona att de är forskare som är utbildade i gränsen för dessa tekniker. Vi kunde inte göra det ensamma."

Nunes krediterar publiceringen av forskningen till detta samarbete.

Ansökningar för kungariket

Nunes tror att membranteknologi kan hjälpa Saudiarabien att spara mycket energi.

"Målet och drömmen är att få stora regionala petrokemiska företag att använda membranteknologi som ett substitut för en del av sina termiskt drivna separationsprocesser", delade Nunes. "Det är anledningen till att vi gör det. Det är motivationen."

En stor del av hennes grupps arbete handlar om att främja visionen att utveckla membran som är tillräckligt stabila för att användas inom den kemiska och petrokemiska industrin. Syftet är att tillhandahålla ett hållbart alternativ till klassiska separationsmetoder, som kräver en mängd steg och resurser. Nunes hoppas också kunna engagera sig i mer direkta interaktioner med kemiska industriaktörer i kungariket för att bättre förstå deras behov och få mer feedback om högpresterande separationstekniker gjorda i organiska lösningsmedel och förhöjda temperaturer.

"Detta är det första steget i en lång historia", sa hon. "Det finns mer arbete att göra för att skala upp membranproduktionen och få tekniken att bli allmänt accepterad för storskalig, icke-vattenhaltig industriell användning."

Vid horisonten ser Nunes också membranteknologi som en hållbar lösning för att hjälpa nuvarande ansträngningar att minimera koldioxidutsläpp genom att ta itu med problemet i början av den industriella värdekedjan.

"Jag tror att det är mycket mer effektivt att ersätta en del av den process som används i den kemiska industrin, som står för ett mycket högt koldioxidavtryck", sa hon. "Om nya anläggningar som byggs i Saudiarabien kan införliva nya och mer hållbara membranbaserade separationsprocesser i början, kommer det att i hög grad bidra till den cirkulära kolekonomin." + Utforska vidare

Membran för separation av kemiska blandningar i industriell skala