Un artículo publicado recientemente en Science "Membranas de politriazol con capa selectiva sintonizable ultrafina para el fraccionamiento de petróleo crudo" ofrece una innovadora solución de desarrollo de membranas para manejar condiciones industriales únicas, como el fraccionamiento de hidrocarburos.

Escrito por un grupo de científicos bajo la dirección de la Dra. Suzana Nunes, profesora de ingeniería y ciencias químicas y ambientales de KAUST, y vicerrectora de asuntos académicos y de la facultad, el documento destaca una estrategia versátil para fabricar membranas de politriazol para petróleo crudo energéticamente eficiente. fraccionamiento Las membranas también son ventajosas por sus propiedades de baja huella de carbono y su idoneidad para promover la economía circular del carbono (CCE).

"He estado trabajando en membranas de politriazol durante más de veinte años", dijo Nunes. "En este documento, el enfoque fue propuesto por el Dr. Stefan Chisca, científico investigador de nuestro laboratorio. Siempre estoy buscando polímeros que puedan enfrentar desafíos que no son posibles con una membrana muy simple".

Chisca se especializa en el desarrollo de polímeros para aplicaciones de membranas, con un enfoque en procesos de separación que implican un consumo mínimo de energía. Antes de unirse a KAUST, Nunes dirigió la investigación de membranas como jefe del departamento de Membranas para Energía Sostenible en la Asociación Helmholtz de Alemania.

Si bien la mayoría de las membranas disponibles comercialmente están diseñadas para ambientes con agua y temperatura ambiente, existe un desafío único en el desarrollo de membranas estables para condiciones más duras caracterizadas por temperaturas elevadas y una amplia gama de solventes orgánicos y pH, como el caso del fraccionamiento de aceite.

Hacer frente al desafío de la separación a través de la reticulación térmica

Un elemento crucial, pero muy costoso y que consume mucha energía, común a las industrias química, farmacéutica y petroquímica es el proceso de separación necesario para purificar disolventes y productos químicos, regular el intercambio de disolventes y gestionar catalizadores. Las técnicas de separación más comunes incluyen destilación, adsorción, evaporación y extracción.

La tecnología de membrana ofrece una alternativa de baja huella de carbono que se considera más sostenible. Sin embargo, a estas industrias les resulta difícil reemplazar los métodos de separación convencionales porque necesitarían membranas para cumplir con estrictos requisitos de estabilidad mecánica y térmica para evitar el rápido envejecimiento y deterioro físico.

"El ambiente es duro a temperaturas de más de 100 grados, y lo que fraccionas podría disolver tu membrana", dijo Nunes.

Señaló la metodología crucial de reticulación mediante tratamiento térmico, necesaria para preparar la membrana para interactuar con el petróleo crudo sin disolverse por completo. Las membranas de politriazol han demostrado ser más adecuadas para separar mezclas no acuosas complejas. El equipo de KAUST fabricó membranas de politriazol con capas selectivas de 10 nanómetros de espesor que contenían canales subnanómetros para la separación de hidrocarburos.

Utilizando la combinación de reticulación térmica junto con la separación de fases inducida sin disolventes (NIPS) convencional, las membranas poliméricas tratadas demostraron ser adecuadas para procesos de separación química altamente desafiantes. Las capas selectivas ultrafinas y las propiedades ajustables de las membranas de politriazol, como las permeabilidades, les permiten adaptarse a una amplia gama de alimentos líquidos desafiantes, ácidos fuertes y mezclas complejas como las que se encuentran en el petróleo crudo.

Caracterización analítica con Core Labs

Para comprender mejor las interacciones de la membrana y el solvente, y también el proceso de modificación química a través del tratamiento térmico, el equipo de Nunes trabajó con científicos de KAUST Core Labs para caracterizar completamente la membrana y el aceite en sí. Se utilizaron diferentes métodos espectroscópicos y microscópicos para investigar la morfología de las membranas antes y después de la reticulación y seguir el fraccionamiento del aceite, lo que dio como resultado la caracterización completa de las propiedades.

"Nuestro trabajo con Core Labs ha sido sobresaliente desde el primer día", dijo Nunes. "Esta ciencia El papel es un excelente ejemplo. Todos los involucrados son de KAUST, desde nuestro grupo hasta los científicos de Core Labs. Creo que es importante resaltar que son científicos formados en la frontera de estas técnicas. No podríamos hacer eso solos".

Nunes atribuye la publicación de la investigación a este esfuerzo de colaboración.

Aplicaciones para el Reino

Nunes cree que la tecnología de membrana podría ayudar a Arabia Saudita a ahorrar mucha energía.

"El objetivo y el sueño es que las grandes empresas petroquímicas regionales utilicen la tecnología de membranas como sustituto de parte de sus procesos de separación impulsados ​​térmicamente", compartió Nunes. "Es la razón por la que lo hacemos. Es la motivación".

Una gran parte del trabajo de su grupo consiste en promover la visión de desarrollar membranas que sean lo suficientemente estables para ser utilizadas en las industrias química y petroquímica. El objetivo es proporcionar una alternativa viable a los métodos de separación clásicos, que requieren una multitud de pasos y recursos. Nunes también espera participar en interacciones más directas con los actores de la industria química en el Reino para comprender mejor sus necesidades y obtener más comentarios sobre las tecnologías de separación de alto rendimiento realizadas en solventes orgánicos y temperaturas elevadas.

"Este es el primer paso de una larga historia", dijo. "Hay más trabajo por hacer para aumentar la producción de membranas y lograr que la tecnología sea ampliamente aceptada para uso industrial no acuoso a escala".

En el horizonte, Nunes también ve la tecnología de membranas como una solución viable para ayudar a los esfuerzos actuales de minimizar las emisiones de dióxido de carbono al abordar el problema al comienzo de la cadena de valor industrial.

“Creo que es mucho más efectivo sustituir parte del proceso empleado en la industria química, que genera una huella de carbono muy alta”, dijo. "Si las nuevas plantas que se están construyendo en Arabia Saudita pueden incorporar procesos de separación basados ​​en membranas novedosos y más sostenibles desde el principio, contribuirá en gran medida a la economía circular del carbono". + Explora más

Membranas para la separación a escala industrial de mezclas químicas