O echipă de chimiști și fizicieni din China a dezvoltat o metodă de rafinare a produselor petroliere care poate reduce cu peste 90% consumul de energie în anumite etape ale procesului, prin înlocuirea unei mari părți din distilarea convențională cu o succesiune de membrane capabile să separe hidrocarburile la nivel molecular.
Cercetătorii de la Institutul Dalian de Fizică a Elementelor Chimice, parte a Academiei Chineze de Științe, au proiectat un sistem prin care hidrocarburile sunt separate în funcție de dimensiunea moleculelor, fără ca întreaga materie primă să fie încălzită la temperaturile ridicate necesare proceselor convenționale de distilare.
Tehnologia ar putea reduce semnificativ costurile energetice ale rafinăriilor, într-un sector în care separarea componentelor petrolului reprezintă una dintre etapele mari consumatoare de energie.
De ce rafinarea petrolului consumă atât de multă energie
Țițeiul extras din zăcăminte este un amestec complex de hidrocarburi cu proprietăți și temperaturi de fierbere diferite. Pentru a obține combustibili, materiale plastice și alte produse, rafinăriile trebuie să separe aceste componente în mai multe etape.
În prezent, procesul se bazează în mare măsură pe distilare. Materia primă este încălzită până când anumite hidrocarburi se transformă în vapori, iar acestea sunt apoi condensate și separate de restul amestecului. Procesul este repetat pentru diferite componente, în funcție de temperaturile lor de fierbere.
Metoda este eficientă din punct de vedere industrial, dar presupune un consum important de energie deoarece cantități mari de materie trebuie încălzite și răcite succesiv.
Cercetătorii chinezi au încercat să rezolve tocmai această problemă printr-o abordare diferită: în loc să se bazeze în principal pe diferențele de temperatură, separarea poate fi realizată prin diferențele de dimensiune și comportament ale moleculelor.
O „sită” la nivelul moleculelor
Ideea pare simplă în teorie: hidrocarburile ar putea trece prin membrane cu pori de dimensiuni atent controlate, iar moleculele mai mici ar traversa membrana în timp ce cele mai mari ar fi reținute.
În practică, însă, această soluție este extrem de dificil de realizat. Multe dintre hidrocarburile care trebuie separate au molecule cu dimensiuni foarte apropiate.
De exemplu, hexanul are aproximativ 0,43 nanometri, 2-metilpentanul 0,50 nanometri, 2,3-dimetilbutanul 0,58 nanometri, benzenul 0,59 nanometri, iar ciclohexanul 0,60 nanometri.
Diferențele sunt, în unele cazuri, de numai câteva sutimi de nanometru. O membrană convențională nu poate funcționa ca o sită suficient de precisă pentru a separa continuu molecule atât de asemănătoare.
Cercetătorii chinezi au folosit însă materiale și metode de proiectare la nivel molecular pentru a depăși această limitare.
Membrane CuBTC cu pori de dimensiuni foarte precise
Una dintre componentele-cheie ale tehnologiei este o membrană realizată din CuBTC, cunoscut și sub denumirea HKUST-1. Materialul are pori triunghiulari cu dimensiunea de aproximativ 0,46 nanometri pe orientarea cristalină relevantă.
Dimensiunea porilor este suficient de apropiată de cea a anumitor molecule pentru ca procesul de separare să poată avea loc.
Problema este că simpla trecere a moleculelor prin pori nu este suficientă. În timpul procesului pot apărea blocaje și obstrucționări care reduc rapid eficiența membranei.
Pentru a evita această problemă, cercetătorii au tratat membrana cu acid tanic. Tratamentul facilitează interacțiunea moleculelor cu suprafața materialului și contribuie la orientarea lor în apropierea porilor.
În termeni simpli, sistemul încearcă să controleze nu doar dimensiunea porului, ci și modul în care moleculele se apropie și interacționează cu acesta. Este o combinație între chimie și fizică la scară moleculară.
Consumul energetic scade de la 1.233 la 107 kWh pe tonă
Diferența față de procesul convențional de distilare este semnificativă.
Cercetătorii au modelat și testat noul proces în instalații de tip industrial, la o capacitate de 8.000 de tone pe an și aproximativ o tonă pe oră.
În scenariul convențional, materia primă trebuia încălzită până la aproximativ 161 de grade Celsius, iar consumul energetic pentru etapele analizate ajungea la 4,44 GJ pe tonă, echivalentul a aproximativ 1.233,33 kWh pe tonă.
În cazul procesului bazat pe membrane, temperatura necesară a fost redusă la aproximativ 60 de grade Celsius. Consumul energetic a coborât la 0,385 GJ pe tonă, adică aproximativ 106,95 kWh pe tonă.
Rezultă o reducere a consumului de energie de peste 91% pentru etapele de rafinare analizate.
Cercetătorii precizează însă că procentul nu trebuie extrapolat la întregul consum energetic al unei rafinării. Etapa inițială de distilare a țițeiului și procesele finale de amestecare rămân necesare.
La nivelul întregului proces, în funcție de produsul obținut, estimările indică o reducere a consumului energetic de aproximativ 80-87%.
De la experiment la posibilă utilizare industrială
Importanța tehnologiei nu vine doar din reducerea consumului de energie, ci și din faptul că cercetarea a fost dusă dincolo de nivelul unui experiment de laborator.
Sistemul a fost modelat și testat la o scară care imită condițiile unei instalații industriale. Acest lucru nu înseamnă că tehnologia poate fi introdusă imediat în toate rafinăriile, dar reduce distanța dintre demonstrația științifică și o eventuală implementare comercială.
O astfel de tehnologie ar putea avea un impact important într-o industrie în care energia reprezintă o componentă majoră a costurilor de procesare. O reducere de 80-85% a energiei necesare unor etape importante ar putea însemna economii de ordinul sutelor de milioane sau chiar miliardelor de dolari anual dacă soluția ar fi implementată la scară largă.
În plus, reducerea consumului de gaz și electricitate ar diminua și necesarul energetic asociat procesării petrolului.
Pentru moment, tehnologia mai trebuie evaluată în condiții comerciale și la capacități mai mari. Dacă performanțele obținute de cercetători se confirmă la scară industrială, separarea hidrocarburilor prin membrane ar putea deveni una dintre metodele prin care rafinăriile își reduc semnificativ consumul de energie.
Inovația arată, totodată, cât de importantă a devenit ingineria chimică în transformarea unor procese industriale foarte vechi. În loc să încălzească milioane de molecule pentru a le separa pe baza punctului de fierbere, noua abordare încearcă să le selecteze direct, la nivel molecular.
Fii la curent cu tot ce contează în business-ul din România și abonează-te la canalul nostru de Whatsapp Forbes Romania.
De asemenea, intră în comunitatea Forbes România de pe Facebook și urmărește cele mai importante știri, analize și noutăți din business-ul local și nu numai.
