La nueva tecnología de membrana desarrollada por un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, el Imperial College de Londres y ExxonMobil podría ayudar a reducir las emisiones de carbono y la intensidad energética asociadas con el refinado de petróleo crudo. Las pruebas de laboratorio sugieren que esta tecnología de membrana de polímero podría reemplazar algunas convencionalesprocesos de destilación a base de calor en el futuro.
El fraccionamiento de mezclas de petróleo crudo utilizando destilación a base de calor es un proceso a gran escala y de alto consumo de energía que representa casi el 1% del uso mundial de energía: 1.100 teravatios-hora por año TWh / año, que es equivalente ala energía total consumida por el estado de Nueva York en un año. Al sustituir las membranas de baja energía por ciertos pasos en el proceso de destilación, la nueva tecnología podría algún día permitir la implementación de un sistema de refinación híbrido que podría ayudar a reducir las emisiones de carbono y la energíaconsumo significativamente en comparación con los procesos de refinación tradicionales.
"Gran parte de nuestra vida moderna proviene del petróleo, por lo que la separación de estas moléculas hace posible nuestra civilización moderna", dijo MG Finn, profesor y presidente de la Facultad de Química y Bioquímica de Georgia Tech. Finn también tiene la familia James A. CarlosPresidente de Tecnología Pediátrica. "La escala de separación requerida para proporcionar los productos que utilizamos es increíblemente grande. Esta tecnología de membrana podría tener un impacto significativo en el consumo global de energía y las emisiones resultantes del procesamiento del petróleo".
Se informará en la edición del 17 de julio de la revista ciencia se cree que el documento es el primer informe de una membrana sintética diseñada específicamente para la separación de fracciones de petróleo crudo y petróleo crudo. Se necesitará investigación y desarrollo adicionales para avanzar esta tecnología a escala industrial.
La tecnología de membrana ya se usa ampliamente en aplicaciones como la desalinización de agua de mar, pero la complejidad de la refinación de petróleo hasta ahora ha limitado el uso de membranas. Para superar ese desafío, el equipo de investigación desarrolló un nuevo polímero espirocíclico que se aplicó a un sustrato robustopara crear membranas capaces de separar mezclas complejas de hidrocarburos mediante la aplicación de presión en lugar de calor.
Las membranas separan las moléculas de las mezclas de acuerdo con diferencias tales como el tamaño y la forma. Cuando las moléculas tienen un tamaño muy cercano, esa separación se vuelve más difícil. Utilizando un proceso bien conocido para hacer enlaces entre los átomos de nitrógeno y carbono, los polímeros fueron construidos porconectar bloques de construcción que tengan una estructura retorcida para crear materiales desordenados con espacios vacíos incorporados.
El equipo pudo equilibrar una variedad de factores para crear la combinación correcta de solubilidad, para permitir que se formaran membranas mediante un procesamiento simple y escalable, y rigidez estructural, para permitir que algunas moléculas pequeñas pasen más fácilmente queinesperadamente, los investigadores descubrieron que los materiales necesitaban una pequeña cantidad de flexibilidad estructural para mejorar la discriminación de tamaño, así como la capacidad de ser ligeramente "pegajosos" hacia ciertos tipos de moléculas que se encuentran abundantemente en el petróleo crudo.
Después de diseñar los nuevos polímeros y lograr cierto éxito con una mezcla sintética de gasolina, combustible para aviones y combustible diesel, el equipo decidió tratar de separar una muestra de petróleo crudo y descubrió que la nueva membrana era bastante efectiva para recuperar gasolina y combustible para avionesde la mezcla compleja.
"Al principio estábamos tratando de fraccionar una mezcla de moléculas que eran demasiado similares", dijo Ben McCool, investigador asociado senior de ExxonMobil y uno de los coautores del artículo. "Cuando tomamos un alimento más complejo, el petróleo crudo,obtuvo fraccionamiento que parecía que podría provenir de una columna de destilación, lo que indica el gran potencial del concepto "
Los investigadores trabajaron en colaboración, con polímeros diseñados y probados en Georgia Tech, luego se convirtieron en películas de 200 nanómetros de espesor, y se incorporaron a los módulos de membrana en Imperial usando un proceso de rollo a rollo. Las muestras se probaron en las tres organizaciones, proporcionando confirmación de múltiples laboratorios de las capacidades de la membrana.
"Tenemos la experiencia fundamental de llevar al mercado la nanofiltración con solventes orgánicos, una tecnología de membrana que se está utilizando ampliamente en las industrias farmacéuticas y químicas", dijo Andrew Livingston, profesor de ingeniería química en Imperial. "Trabajamos mucho con ExxonMobil y Georgia Techpara demostrar el potencial de escalabilidad de esta tecnología a los niveles requeridos por la industria petrolera "
El equipo de investigación creó una tubería de innovación que se extiende desde la investigación básica hasta la tecnología que se puede probar en condiciones reales.
"Reunimos ciencia y química básicas, fundamentos de fabricación de membranas aplicadas y análisis de ingeniería sobre cómo funcionan las membranas", dijo Ryan Lively, profesor asociado y miembro de la facultad John H. Woody en la Escuela de Ingeniería Química y Biomolecular de Georgia Tech. "Nosotrospudimos pasar de polvos a escala de miligramo hasta prototipos de módulos de membrana en factores de forma comerciales que fueron desafiados con petróleo crudo real; fue fantástico ver esta tubería de innovación en acción ".
La relación de ExxonMobil con Georgia Tech se remonta casi 15 años y ha producido innovaciones en otras tecnologías de separación, incluida una nueva membrana de tamiz molecular basada en carbono que podría reducir drásticamente la energía requerida para separar una clase de moléculas de hidrocarburos conocidas como alquil aromáticos.
"A través de la colaboración con instituciones académicas sólidas como Georgia Tech e Imperial, estamos trabajando constantemente para desarrollar las soluciones energéticas de bajas emisiones del futuro", dijo Vijay Swarup, vicepresidente de investigación y desarrollo de ExxonMobil Research and Engineering Company.
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