Uma nova tecnologia de membranas poderá transformar o processamento de hidrocarbonetos, reduzindo drasticamente o consumo de energia

O estudo, intitulado «Membranas poliméricas ultrafinas com microporosidade intrínseca bloqueada para o fracionamento de hidrocarbonetos», criou uma nova forma de formar as camadas de separação em membranas poliméricas para separações moleculares. Esta inovação decorre da forma como o agente de reticulação do filme polimérico é adicionado ao polímero durante o fabrico da membrana. O resultado é uma tecnologia de membranas escalável, capaz de separar misturas orgânicas complexas em frações valiosas com uma eficiência sem precedentes. As membranas combinam uma seletividade molecular extremamente elevada com um transporte rápido de líquidos — uma combinação que há muito escapava aos cientistas e engenheiros que trabalham nesta área.

Repensar um processo com um século de existência

A refinação convencional do petróleo bruto baseia-se na destilação térmica, um processo que consome enormes quantidades de energia e representa cerca de um por cento do consumo energético global. Embora as tecnologias de membranas tenham há muito prometido uma alternativa muito mais eficiente do ponto de vista energético, a sua adoção industrial tem sido limitada por desafios fundamentais relacionados com os materiais.

«Em princípio, as membranas podem desempenhar a mesma função que a destilação ou a evaporação, utilizando muito menos energia», explica o investigador principal, Andrew Livingston, professor de Engenharia Química e vice-presidente de Investigação e Inovação na Queen Mary University of London, e diretor executivo da Exactmer. «O problema tem sido encontrar materiais que sejam simultaneamente rápidos e seletivos quando expostos a misturas reais de hidrocarbonetos.»

Bloqueio de poros à escala nanométrica

A inovação relatada neste estudo reside numa nova forma de fabricar membranas poliméricas, de modo a que os seus poros à escala nanométrica fiquem «bloqueados» no lugar durante a formação.

Os investigadores centraram-se em polímeros de microporosidade intrínseca, materiais conhecidos pela sua estrutura esponjosa que contém poros subnanométricos. Embora estes poros sejam ideais para separar moléculas por tamanho e tipo, os polímeros normalmente incham quando expostos a hidrocarbonetos, fazendo com que os poros se expandam e percam seletividade.

Para superar este problema, a equipa desenvolveu uma abordagem de reticulação in situ que estabiliza a estrutura do polímero enquanto a membrana está a ser formada. Este processo fixa os poros na sua configuração ideal, produzindo o que os investigadores denominam polímeros de microporosidade intrínseca fixada (PLIMs).

«A chave foi estabilizar a estrutura antes que o polímero tivesse oportunidade de inchar», explica o Dr. Zhiwei Jiang, que liderou a investigação como Diretor de Investigação de Membranas na Exactmer e que é agora Professor Assistente na Universidade Tecnológica de Nanyang, em Singapura. «Isto preserva os poros minúsculos que tornam possível a separação molecular, ao mesmo tempo que permite que os hidrocarbonetos fluam através deles muito rapidamente.»

Para investigar as origens moleculares do bloqueio, a equipa da UCL, liderada pelo Dr. Foglia, utilizou a dispersão quase-elástica de neutrões na ISIS Neutron and Muon Source, a instalação nacional de neutrões pulsados do Reino Unido e uma ferramenta inigualável para estudar a dinâmica das cadeias poliméricas. 

Desempenho excecional em fluxos de petróleo bruto e de refinaria

Quando testadas com petróleo bruto sintético, as membranas PLIM apresentaram uma permeabilidade até dez vezes superior à das membranas de última geração existentes, mantendo ao mesmo tempo uma elevada seletividade. As membranas foram capazes de distinguir eficazmente entre moléculas de hidrocarbonetos que diferem apenas ligeiramente em tamanho.

Em testes realizados com petróleo bruto «Arabian Extra Light» real, as membranas:

• Removeram 99,8% dos hidrocarbonetos com mais de 15 átomos de carbono
• Reduziram os compostos que contêm enxofre em 93%, um passo crítico na proteção dos catalisadores e equipamentos a jusante

As membranas também apresentaram um desempenho particularmente bom com fluxos de refinaria, como a nafta virgem. Nestes testes, separaram eficientemente os hidrocarbonetos leves (C4–C6), adequados para o aprimoramento de combustíveis, das frações mais pesadas de nafta utilizadas na produção de plásticos e produtos químicos — tudo isto com permeabilidades comparáveis às das membranas comerciais de dessalinização.

Concebidas para produção em grande escala

Fundamentalmente, os investigadores demonstraram que as membranas podem ser fabricadas em escala. Utilizando o processo «roll-to-roll», produziram folhas com mais de um metro de largura e integraram-nas em módulos de membranas enroladas em espiral padrão, comummente utilizados na indústria.

«Estas membranas não são apenas curiosidades de laboratório», afirmou o Dr. Adam Oxley, primeiro autor do artigo de investigação e atualmente vice-presidente adjunto da área de Membranas na Exactmer. «Podem ser produzidas utilizando técnicas de fabrico estabelecidas e adaptadas aos projetos de módulos industriais existentes. Na Exactmer, estamos a incorporar estas novas técnicas em membranas utilizadas para separações de elevado valor em solventes orgânicos.»

Testes de longo prazo demonstraram um desempenho estável ao longo de 30 dias de funcionamento contínuo, indicando um forte potencial para uma implementação industrial real.

Um caminho mais sustentável para a refinação

Embora o sistema energético global esteja a fazer a transição para alternativas com menores emissões de carbono, mantém-se a procura por combustíveis, produtos químicos, solventes e materiais derivados de hidrocarbonetos. Melhorar a eficiência dos processos de separação existentes é, portanto, essencial para reduzir as emissões durante o período de transição.

Ao permitir separações baseadas em membranas que são simultaneamente rápidas e seletivas, a tecnologia PLIM poderá permitir que indústrias que vão desde a refinação de petróleo até à indústria farmacêutica:

• Reduzir drasticamente o consumo de energia
• Reduzir as emissões de carbono
• Operar com unidades de processamento mais pequenas e flexíveis
• Integrar a dessulfurização seletiva numa fase mais precoce do processo de refinação

Os investigadores observam que o mesmo conceito de bloqueio de poros poderia ser alargado a outros desafios de separação de líquidos, incluindo a produção química, a recuperação de solventes e as matérias-primas de base biológica emergentes.

Perspetivas futuras

A equipa está agora a explorar solventes mais ecológicos para o fabrico de membranas e a investigar como as membranas PLIM poderiam ser implementadas em processos híbridos específicos, a par da infraestrutura existente das refinarias e do fabrico de produtos farmacêuticos de elevado valor em solventes orgânicos.

«Este trabalho demonstra que a separação molecular baseada em membranas em líquidos orgânicos já não é apenas uma possibilidade teórica», afirmou o professor Livingston. «Com o projeto adequado dos materiais, pode ser rápida, seletiva, escalável — e pronta para a indústria.»