Nueva tecnología de membranas desarrollada por un equipo de investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, Colegio Imperial de Londres, y ExxonMobil podrían ayudar a reducir las emisiones de carbono y la intensidad energética asociadas con la refinación del petróleo crudo. Las pruebas de laboratorio sugieren que esta tecnología de membrana de polímero podría reemplazar algunos procesos convencionales de destilación basados ​​en calor en el futuro.

El fraccionamiento de mezclas de petróleo crudo mediante destilación a base de calor es un proceso a gran escala, proceso de uso intensivo de energía que representa casi el 1% del uso mundial de energía:1, 100 teravatios-hora por año (TWh / año), que equivale a la energía total consumida por el estado de Nueva York en un año. Sustituyendo las membranas de baja energía para 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 el consumo de energía de manera significativa 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 M.G. Finn, profesor y presidente de la Escuela de Química y Bioquímica de Georgia Tech. Finn también ocupa la Cátedra Familiar James A. Carlos 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 de energía global y las emisiones resultantes del procesamiento del petróleo".

Se informará en la edición del 17 de julio de la revista. Ciencias , Se cree que el documento es el primer informe de una membrana sintética diseñada específicamente para la separación de petróleo crudo y fracciones de petróleo crudo. Se necesitarán más investigación y desarrollo para hacer avanzar esta tecnología a escala industrial.

La tecnología de membranas ya se utiliza ampliamente en aplicaciones como la desalinización de agua de mar, pero la complejidad del refinado de petróleo ha limitado hasta ahora el uso de membranas. Para superar ese desafío, el equipo de investigación desarrolló un polímero espirocíclico novedoso que se aplicó a un sustrato robusto para 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 como el tamaño y la forma. Cuando las moléculas tienen un tamaño muy parecido, esa separación se vuelve más desafiante. Usando un proceso bien conocido para hacer enlaces entre átomos de nitrógeno y carbono, los polímeros se construyeron conectando bloques de construcción que tenían 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 las membranas se formen mediante un procesamiento simple y escalable, y rigidez estructural, para permitir que algunas moléculas pequeñas pasen más fácilmente que otras. Inesperadamente, los investigadores encontraron que los materiales necesitaban una pequeña cantidad de flexibilidad estructural para mejorar la discriminación de tamaño, así como la capacidad de ser ligeramente "pegajoso" 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 gasolina sintética, combustible para aviones, y mezcla de combustible diesel, el equipo decidió intentar separar una muestra de petróleo crudo y descubrió que la nueva membrana era bastante eficaz para recuperar gasolina y combustible de aviación de la mezcla compleja.

"Inicialmente intentábamos 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 adoptamos un feed más complejo, petróleo crudo, obtuvimos un fraccionamiento que parecía provenir de una columna de destilación, indicando el gran potencial del concepto ".

Los investigadores trabajaron en colaboración, con polímeros diseñados y probados en Georgia Tech, luego se convierte en películas de 200 nanómetros de espesor, e incorporados en módulos de membrana en Imperial mediante un proceso de rollo a rollo. Luego, las muestras se probaron en las tres organizaciones, proporcionando confirmación de múltiples laboratorios de las capacidades de la membrana.

"Tenemos la experiencia fundamental de brindar nanofiltración de solventes orgánicos, una tecnología de membranas que se utiliza ampliamente en las industrias farmacéutica y química, al mercado, "dijo Andrew Livingston, profesor de ingeniería química en Imperial. "Trabajamos extensamente con ExxonMobil y Georgia Tech para demostrar el potencial de escalabilidad de esta tecnología a los niveles requeridos por la industria del petróleo".

El equipo de investigación creó una línea de innovación que se extiende desde la investigación básica hasta la tecnología que se puede probar en condiciones del mundo real.

"Reunimos ciencia básica y química, fundamentos de fabricación de membranas aplicadas, y análisis de ingeniería de 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. "Pudimos pasar de polvos a escala de miligramos hasta prototipos de módulos de membrana en factores de forma comerciales que fueron desafiados con petróleo crudo real; fue fantástico ver esta línea de innovación en acción".

La relación de ExxonMobil con Georgia Tech se remonta a casi 15 años y ha producido innovaciones en otras tecnologías de separación, incluyendo una nueva membrana de tamiz molecular a base de carbono que podría reducir drásticamente la energía necesaria 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, Trabajamos 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.