Výskumníci z Dalienského inštitútu chemickej fyziky a Univerzity Sun Yat-sen publikovali svoju prácu v časopise National Science Review. Namiesto opakovaného zahrievania surovej ropy použili vrstvené membrány z kovo-organických štruktúr. Malé, chemicky vyladené póry prepúšťajú niektoré uhľovodíky a iné zadržiavajú.
Rafinácia ropy patrí medzi energeticky najnáročnejšie priemyselné procesy na svete. Destilácia – teda zahrievanie surovej ropy, aby sa jednotlivé zložky odparovali pri rôznych teplotách – spotrebúva obrovské množstvo tepla. Čínski vedci teraz prišli s metódou, ktorá by mohla tento krok výrazne zefektívniť.
Ako to funguje
Výskumníci z Dalienského inštitútu chemickej fyziky a Univerzity Sun Yat-sen vyvinuli membrány na báze kovo-organických štruktúr (MOF), ktoré fungujú ako mimoriadne presné molekulárne sitá. Namiesto opakovaného zahrievania ropných frakcií a odparovania každej zložky pri inej teplote prechádza zmes cez vrstvené membrány.
Princíp pozostáva z dvoch krokov:
Prvá membrána oddeľuje lineárne a mierne rozvetvené alkány – surovinu na výrobu etylénu – od zvyšku zmesi. Rozdiel vo veľkosti molekúl pritom predstavuje iba 0,08 až 0,12 nanometra.
Druhá membrána využíva povrchovú chémiu na oddelenie aromatických zlúčenín (surovina na výrobu plastov a vlákien) od silne rozvetvených alkánov a cykloalkánov (zložky benzínu). Rozdiel vo veľkosti je v tomto prípade iba 0,01 až 0,03 nanometra.
Vedci upravovali vlastnosti membrán metódou mikro-odleptávania pomocou kyseliny trieslovej, aby dosiahli potrebnú selektivitu.
Výsledky v laboratóriu
V laboratórnych testoch použili 15-zložkovú zmes ľahkej nafty – teda frakciu, ktorú rafinérie využívajú na výrobu benzínu a plastov. Zmes sa podarilo rozdeliť na tri hodnotnejšie prúdy:
- Surovinu na výrobu etylénu
- Chemické medziprodukty
- Zložku na miešanie benzínu
Výťažnosť sa pohybovala okolo 85 až 90 percent. V porovnaní s konvenčnou destiláciou pri rovnakej úlohe bola odhadovaná spotreba energie približne o 91 percent nižšia.
Prečo na tom záleží
Destilácia patrí medzi energeticky najnáročnejšie kroky v rafinérii. Ak by sa membrány tohto typu podarilo nasadiť v priemyselnom meradle, rafinérie by mohli:
- Spotrebovať oveľa menej tepla
- Znížiť prevádzkové náklady
- Znížiť emisie v tejto fáze výroby
- Nasmerovať molekuly k produktom s vyššou pridanou hodnotou
Je to dôležité najmä v čase, keď európske rafinérie čelia tlaku na znižovanie emisií a zároveň na zachovanie konkurencieschopnosti.
Zatiaľ len raná fáza
Treba zdôrazniť, že ide o modelovú zmes a procesnú simuláciu, nie o test s plným barelom ropy v prevádzkovanej rafinérii. Ďalšie testy sa zamerajú na:
- Životnosť membrán pri dlhodobej prevádzke
- Priepustnosť v priemyselnom meradle
- Náklady na výrobu a údržbu membránových systémov
Výskum teda ukazuje smer, ktorým by sa rafinácia mohla uberať – cesta od laboratórneho výsledku k priemyselnej realite je však dlhá a neistá. Ak sa membrány podarí uviesť do praxe, môže ísť o jednu z najvýznamnejších zmien v rafinérskom priemysle za posledné desaťročie.