Una nuova tecnologia a membrana potrebbe rivoluzionare la lavorazione degli idrocarburi riducendo drasticamente il consumo energetico
Ripensare un processo secolare
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Un team di ricercatori internazionali ha sviluppato una nuova classe di membrane polimeriche ultrasottili in grado di separare in modo rapido e selettivo miscele complesse di idrocarburi, trasformando potenzialmente il modo in cui viene raffinato il petrolio greggio e vengono trattati i flussi di raffineria, riducendo in modo significativo l’energia necessaria per uno dei processi industriali più energivori al mondo.
Lo studio, intitolato «Membrane polimeriche ultrasottili con microporosità intrinseca bloccata per il frazionamento degli idrocarburi», ha aperto una nuova strada alla formazione degli strati di separazione nelle membrane polimeriche destinate alle separazioni molecolari. La svolta deriva dal modo in cui l’agente reticolante per il film polimerico viene aggiunto al polimero durante la fabbricazione della membrana. Il risultato è una tecnologia a membrana scalabile in grado di separare miscele organiche complesse in frazioni di valore con un’efficienza senza precedenti. Le membrane combinano una selettività molecolare estremamente elevata con un trasporto rapido dei liquidi — una combinazione che da tempo sfuggiva agli scienziati e agli ingegneri che operano in questo campo.
Ripensare un processo secolare
La raffinazione convenzionale del petrolio greggio si basa sulla distillazione termica, un processo che consuma enormi quantità di energia e rappresenta circa l’uno per cento del consumo energetico globale. Sebbene le tecnologie a membrana abbiano da tempo promesso un’alternativa molto più efficiente dal punto di vista energetico, la loro diffusione industriale è stata limitata da sfide fondamentali legate ai materiali.
«Le membrane possono, in linea di principio, svolgere lo stesso lavoro della distillazione o dell’evaporazione, utilizzando molta meno energia», spiega il ricercatore capo, Andrew Livingston, professore di Ingegneria Chimica e vicepresidente per la Ricerca e l’Innovazione presso la Queen Mary University di Londra, nonché amministratore delegato di Exactmer. «Il problema è stato trovare materiali che fossero al tempo stesso veloci e selettivi quando esposti a miscele reali di idrocarburi».
Bloccare i pori su scala nanometrica
La svolta riportata in questo studio risiede in un nuovo metodo di produzione delle membrane polimeriche, grazie al quale i loro pori su scala nanometrica vengono “bloccati” in posizione durante la formazione.
I ricercatori si sono concentrati sui polimeri a microporosità intrinseca, materiali noti per la loro struttura simile a una spugna contenente pori di dimensioni inferiori al nanometro. Sebbene questi pori siano ideali per separare le molecole in base alle dimensioni e al tipo, i polimeri normalmente si gonfiano quando esposti agli idrocarburi, causando l’espansione dei pori e la perdita di selettività.
Per ovviare a questo problema, il team ha sviluppato un approccio di reticolazione in situ che stabilizza la struttura polimerica durante la formazione della membrana. Questo processo blocca i pori nella loro configurazione ottimale, producendo quelli che i ricercatori definiscono polimeri a microporosità intrinseca bloccata (PLIM).
«La chiave è stata stabilizzare la struttura prima che il polimero avesse modo di gonfiarsi», spiega il dottor Zhiwei Jiang, che ha guidato la ricerca in qualità di responsabile della ricerca sulle membrane presso Exactmer e che ora è professore assistente presso la Nanyang Technological University di Singapore. «Ciò preserva i minuscoli pori che rendono possibile la separazione molecolare, consentendo al contempo agli idrocarburi di fluire attraverso di essi molto rapidamente».
Per indagare sulle origini molecolari del blocco, il team dell’UCL, guidato dal dottor Foglia, ha utilizzato la diffusione quasi-elastica dei neutroni presso l’ISIS Neutron and Muon Source, l’impianto nazionale britannico di neutroni pulsati e uno strumento senza pari per lo studio della dinamica delle catene polimeriche.
Prestazioni eccezionali con il petrolio greggio e i flussi di raffineria
Quando testate con petrolio greggio sintetico, le membrane PLIM hanno mostrato una permeabilità fino a dieci volte superiore rispetto alle membrane all’avanguardia esistenti, mantenendo al contempo un’elevata selettività. Le membrane sono state in grado di distinguere efficacemente tra molecole di idrocarburi che differiscono solo leggermente per dimensioni.
Nei test condotti utilizzando vero petrolio greggio arabo Extra Light, le membrane:
- Hanno rimosso il 99,8% degli idrocarburi con più di 15 atomi di carbonio
- hanno ridotto del 93% i composti contenenti zolfo, un passo fondamentale per proteggere i catalizzatori e le apparecchiature a valle
Le membrane hanno inoltre dato risultati particolarmente positivi con flussi di raffineria quali la nafta vergine. In questi test, hanno separato in modo efficiente gli idrocarburi leggeri (C4–C6), adatti al miglioramento della qualità del carburante, dalle frazioni di nafta più pesanti utilizzate per la produzione di materie plastiche e prodotti chimici — il tutto con permeanze paragonabili a quelle delle membrane commerciali per la desalinizzazione.
Progettate per la produzione su larga scala
Fondamentalmente, i ricercatori hanno dimostrato che le membrane possono essere prodotte su larga scala. Utilizzando la lavorazione roll-to-roll, hanno realizzato fogli larghi oltre un metro e li hanno integrati in moduli a membrana a spirale standard comunemente utilizzati nell’industria.
«Queste membrane non sono solo curiosità da laboratorio», ha affermato il dott. Adam Oxley, primo autore dell’articolo di ricerca e attualmente Vicepresidente aggiunto del settore Membrane presso Exactmer. «Possono essere prodotte utilizzando tecniche di produzione consolidate e integrate nei progetti dei moduli industriali esistenti. Noi di Exactmer stiamo integrando queste nuove tecniche nelle membrane utilizzate per separazioni di alto valore in solventi organici».
Test a lungo termine hanno dimostrato prestazioni stabili per oltre 30 giorni di funzionamento continuo, indicando un forte potenziale per una reale applicazione industriale.
Un percorso più sostenibile per la raffinazione
Mentre il sistema energetico globale sta passando ad alternative a basse emissioni di carbonio, permane la domanda di combustibili, prodotti chimici, solventi e materiali derivati dagli idrocarburi. Migliorare l’efficienza dei processi di separazione esistenti è quindi essenziale per ridurre le emissioni durante il periodo di transizione.
Consentendo separazioni basate su membrane che sono al tempo stesso rapide e selettive, la tecnologia PLIM potrebbe permettere alle industrie, dalla raffinazione del petrolio al settore farmaceutico, di:
- Ridurre drasticamente il consumo energetico
- Ridurre le emissioni di carbonio
- Operare con unità di lavorazione più piccole e flessibili
- Integrare la desolforazione selettiva in una fase più precoce del processo di raffinazione
I ricercatori sottolineano che lo stesso concetto di “pore-locking” potrebbe essere esteso ad altre sfide legate alla separazione dei liquidi, tra cui la produzione chimica, il recupero dei solventi e le materie prime bio-derivate emergenti.
Prospettive future
Il team sta ora esplorando solventi più ecologici per la produzione di membrane e studiando come le membrane PLIM potrebbero essere impiegate in processi ibridi mirati, affiancandosi alle infrastrutture di raffinazione esistenti e alla produzione di farmaci di alto valore in solventi organici.
«Questo lavoro dimostra che la separazione molecolare basata su membrane nei liquidi organici non è più solo una possibilità teorica», ha affermato il professor Livingston. «Con una progettazione adeguata dei materiali, può essere veloce, selettiva, scalabile e pronta per l’industria».
Nota: questo articolo è stato tradotto utilizzando un sistema informatico senza intervento umano. LUMITOS offre queste traduzioni automatiche per presentare una gamma più ampia di notizie attuali. Poiché questo articolo è stato tradotto con traduzione automatica, è possibile che contenga errori di vocabolario, sintassi o grammatica. L'articolo originale in Inglese può essere trovato qui.
Pubblicazione originale
Adam Oxley, Chunchun Ye, Seok Ju Han, Guoke Zhao, Yihao Guo, Xin Shi, Jie Liu, Keenan Smith, Mona Sarter, Lakshmeesha Upadhyaya, Shanshan Hong, Vasilios G. Samaras, Qin Qian, Yanan Liu, Gary S. Nichol, Yiqun Liu, Suzana P. Nunes, Fabrizia Foglia, Jianwen Jiang, Anqi Wang, Neil B. McKeown, Andrew G. Livingston, Zhiwei Jiang; "Ultrathin polymer membranes with locked intrinsic microporosity for hydrocarbon fractionation"; Science, Volume 392
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