Учёные из KAIST и Georgia Tech разработали мембрану, способную разделять сырую нефть при комнатной температуре. В отличие от традиционной перегонки, технология не требует нагрева сырья выше 350 °C и, согласно компьютерным моделям, может снизить энергозатраты нефтепереработки на 31,6%. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Как «засорение» улучшило мембрану
Обычно сырую нефть разделяют перегонкой: её нагревают, превращают часть компонентов в пар, а затем охлаждают пары, получая разные фракции. На этот процесс во всём мире ежегодно тратится около 1100 ТВт·ч — объём, сопоставимый с выработкой примерно 130 постоянно работающих атомных электростанций мощностью по 1 ГВт.
Исследователи использовали пористую мембрану из полиакрилонитрила (PAN) — недорогого и химически стабильного полимера, который уже применяется как опорный материал в промышленных фильтрах. В отличие от многих прежних конструкций, ей не понадобилось специальное сверхтонкое покрытие.
Когда нефть проходила через поры мембраны, более тяжёлые углеводородные молекулы оседали на стенках и постепенно сужали каналы до менее чем 2 нанометров. В результате внутри мембраны самопроизвольно сформировались пути, через которые быстрее проходили лёгкие фракции, включая нафту, бензин и керосин, тогда как тяжёлые компоненты задерживались.
Так называемое загрязнение мембраны обычно считают недостатком фильтрации: оно снижает производительность и требует очистки или замены. В новом исследовании тот же процесс, напротив, стал механизмом разделения. Мембрана показала скорость пропускания нефти примерно в 23 раза выше, чем у ранее описанных передовых мембран для такой задачи, и сохраняла стабильную работу в течение 28 дней подряд.
Возможное снижение затрат и выбросов
Авторы предлагают устанавливать мембранную систему перед существующим оборудованием для перегонки. Такой модуль предварительно разделял бы нефть и уменьшал нагрузку на последующие стадии, не требуя полной замены инфраструктуры НПЗ.
Моделирование показало возможное сокращение выбросов углекислого газа на 37,6%, расхода охлаждающей воды — на 20,7%, а эксплуатационных затрат — на 36%. При внедрении системы во всей нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности Южной Кореи, по оценке исследователей, можно было бы предотвращать около 10 млн тонн выбросов парниковых газов в год. Эти значения получены в расчётах, а не измерены на работающих предприятиях.
«Мембраны PAN благодаря неожиданному механизму разделения резко повышают производительность установки — настолько, что промышленности стоит серьёзно рассмотреть эту технологию», — отметил профессор Georgia Tech Райан Лайвли.
В эксперименте использовали настоящую сырую нефть, предоставленную HD Hyundai Oilbank, что позволило проверить работу мембраны на сложной смеси углеводородов, характерной для промышленного сырья. В дальнейшем команда планирует масштабировать производство мембран и подтвердить их надёжность при длительной эксплуатации. Среди возможных применений исследователи также называют переработку пиролизного масла из пластиковых отходов, извлечение растворителей при производстве аккумуляторов, очистку фармацевтических соединений и получение биотоплива.
