Separando o petróleo bruto em produtos como gasolina, diesel e óleo de aquecimento é um processo intensivo em energia que representa cerca de 6 % da Co do mundo2 emissões. A maior parte dessa energia entra no calor necessário para separar os componentes por seu ponto de ebulição.
Em um avanço que pode reduzir drasticamente a quantidade de energia necessária para o fracionamento de petróleo bruto, os engenheiros do MIT desenvolveram uma membrana que filtra os componentes do petróleo bruto por seu tamanho molecular.
“Esta é uma maneira totalmente nova de visualizar um processo de separação. Em vez de ferver misturas para purificá -las, por que não separar componentes com base na forma e tamanho? A inovação principal é que os filtros que desenvolvemos podem separar moléculas muito pequenas em uma escala atomística de comprimento”, diz Zachary P. Smith, um professor associado de engenharia química do MIT e da autora sênior da autoridade do autor da autoridade.
A nova membrana de filtração pode separar com eficientemente componentes pesados e leves do óleo e é resistente ao inchaço que tende a ocorrer com outros tipos de membranas de separação de petróleo. A membrana é um filme fino que pode ser fabricado usando uma técnica que já é amplamente usada em processos industriais, potencialmente permitindo que ela seja ampliada para uso generalizado.
Taehoon Lee, um ex -pós -doutorado do MIT que agora é professor assistente da Universidade Sungkyunkwan, na Coréia do Sul, é o principal autor do artigo, que aparece hoje em Ciência.
Fracionamento de petróleo
Os processos convencionais orientados a calor para fracionar petróleo bruto representam cerca de 1 % do uso international de energia e estimou-se que o uso de membranas para separação de petróleo bruto poderia reduzir a quantidade de energia necessária em cerca de 90 %. Para que isso seja bem -sucedido, uma membrana de separação precisa permitir que os hidrocarbonetos passem rapidamente e filtrem seletivamente compostos de tamanhos diferentes.
Até agora, a maioria dos esforços para desenvolver uma membrana de filtração para hidrocarbonetos se concentrava em polímeros de microporosidade intrínseca (PIMS), incluindo um conhecido como PIM-1. Embora esse materials poroso permita o transporte rápido de hidrocarbonetos, ele tende a absorver excessivamente alguns dos compostos orgânicos à medida que passam pela membrana, levando o filme a inchar, o que prejudica sua capacidade de seção de tamanho.
Para criar uma alternativa melhor, a equipe do MIT decidiu tentar modificar polímeros usados para a dessalinização da água de osmose reversa. Desde sua adoção na década de 1970, as membranas reversas de osmose reduziram o consumo de energia em cerca de 90 % – uma notável história de sucesso industrial.
A membrana mais usada para a dessalinização da água é uma poliamida fabricada usando um método conhecido como polimerização interfacial. Durante esse processo, um filme de polímero fino se forma na interface entre a água e um solvente orgânico, como o hexano. Água e hexano normalmente não se misturam, mas na interface entre eles, uma pequena quantidade de compostos dissolvidos neles pode reagir entre si.
Nesse caso, um monômero hidrofílico chamado MPD, que é dissolvido em água, reage com um monômero hidrofóbico chamado TMC, que é dissolvido em hexano. Os dois monômeros são unidos por uma conexão conhecida como ligação amida, formando um filme fino de poliamida (chamado MPD-TMC) na interface de água-hexano.
Embora altamente eficaz para a dessalinização da água, o MPD-TMC não possui os tamanhos de poros certos e a resistência do inchaço que permitiria separar hidrocarbonetos.
Para adaptar o materials para separar os hidrocarbonetos encontrados no petróleo bruto, os pesquisadores modificaram o filme primeiro alterando o vínculo que conecta os monômeros de uma ligação amida a um vínculo imine. Essa ligação é mais rígida e hidrofóbica, o que permite que os hidrocarbonetos se movam rapidamente através da membrana sem causar inchaço perceptível do filme em comparação com a contraparte da poliamida.
“O materials de poliimina tem porosidade que se forma na interface e, devido à química de reticulação que adicionamos, agora você tem algo que não incha”, diz Smith. “Você faz isso na fase oleosa, reage na interface de água e, com os reticuladores, agora é imobilizado. E assim, esses poros, mesmo quando são expostos a hidrocarbonetos, não incham mais como outros materiais”.
Os pesquisadores também introduziram um monômero chamado TriTycene. Essa molécula de forma de forma e seletiva, seletiva, ajuda ainda mais as poliiminas resultantes a formar poros que são do tamanho certo para os hidrocarbonetos se encaixarem.
Separação eficiente
Quando os pesquisadores usaram a nova membrana para filtrar uma mistura de tolueno e triisopropilbenzeno (TIPB) como uma referência para avaliar o desempenho da separação, conseguiu uma concentração de tolueno 20 vezes maior que sua concentração na mistura unique. Eles também testaram a membrana com uma mistura industrialmente relevante que consiste em nafta, querosene e diesel, e descobriram que ela poderia separar eficientemente os compostos mais pesados e mais leves por seu tamanho molecular.
Se adaptado para uso industrial, uma série desses filtros poderá ser usada para gerar uma maior concentração dos produtos desejados em cada etapa, dizem os pesquisadores.
“Você pode imaginar que, com uma membrana como essa, você pode ter um estágio inicial que substitui uma coluna de fracionamento de petróleo bruto. Você pode particionar moléculas pesadas e leves e, em seguida, pode usar diferentes membranas em uma cascata para purificar misturas complexas para isolar os produtos químicos que você precisa”, diz Smith.
A polimerização interfacial já é amplamente usada para criar membranas para a dessalinização da água, e os pesquisadores acreditam que deve ser possível adaptar esses processos para produzir em massa os filmes que eles projetaram neste estudo.
“A principal vantagem da polimerização interfacial é que já é um método bem estabelecido para preparar membranas para a purificação da água, para que você possa imaginar apenas adotar essas químicas na escala existente de linhas de fabricação”, diz Lee.
A pesquisa foi financiada, em parte, pela ExxonMobil por meio da Iniciativa de Energia do MIT.
