Учёные создали энергоэффективную мембрану для переработки сырой нефти при комнатной температуре

Учёные из Корейского передового института науки и технологий (KAIST) совместно с исследователями из Технологического института Джорджии (Georgia Tech) разработали недорогую мембрану, способную разделять компоненты сырой нефти при комнатной температуре. Новая технология может стать альтернативой традиционному процессу перегонки, который сегодня остаётся одним из самых энергоёмких этапов нефтепереработки.

Современная переработка сырой нефти основана на дистилляции, требующей нагрева свыше 350 °C для разделения нефти на фракции, такие как бензин, керосин и нафта. Этот процесс ежегодно потребляет около 1100 тераватт-часов электроэнергии во всём мире, что делает его одним из главных источников энергозатрат и выбросов парниковых газов в нефтехимической отрасли.

В ответ на эти ограничения исследователи обратились к мембранным технологиям разделения, которые рассматриваются как более энергоэффективная альтернатива. Однако ранее считалось, что для точного молекулярного разделения необходимы ультратонкие селективные покрытия, усложняющие производство и повышающие стоимость технологии. Новая работа демонстрирует принципиально иной подход, при котором используется обычная пористая мембрана из полиакрилонитрила (PAN) — недорогого и химически стойкого материала, широко применяемого в промышленной фильтрации.

Ключевая особенность предложенного метода заключается в том, что мембрана не имеет специальных функциональных покрытий. Когда сырая нефть проходит через пористую структуру PAN, тяжёлые углеводороды начинают естественным образом накапливаться на стенках пор. В результате формируются самособирающиеся каналы шириной менее двух нанометров, которые обеспечивают селективное разделение компонентов. Более лёгкие фракции, включая бензин, керосин и нафту, проходят через мембрану, тогда как тяжёлые компоненты задерживаются. При этом эффект загрязнения мембраны, который обычно считается недостатком мембранных технологий, в данном случае становится ключевым механизмом формирования селективной структуры.

По данным исследователей, такая мембрана из полиакрилонитрила обеспечивает скорость прохождения сырой нефти примерно в 23 раза выше, чем лучшие ранее разработанные мембранные системы, при этом сохраняя стабильную работу на протяжении 28 суток непрерывной эксплуатации. Это свидетельствует о её потенциальной пригодности для промышленного применения.

Дополнительное моделирование показало, что использование мембраны в качестве предварительной стадии перед традиционной перегонкой нефти позволяет снизить общее энергопотребление примерно на 31,6%. При этом выбросы углекислого газа могут сократиться на 37,6%, расход охлаждающей воды — на 20,7%, а эксплуатационные затраты — на 36% по сравнению с традиционными технологиями нефтепереработки.

По оценкам авторов, если технология получит широкое распространение на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях Южной Кореи, ежегодное сокращение выбросов парниковых газов может достичь примерно 10 миллионов метрических тонн. Это сопоставимо с объёмом выбросов около четырёх миллионов автомобилей с двигателями внутреннего сгорания.

Исследователи также считают, что разработанная мембранная платформа может использоваться не только при переработке нефти. Среди перспективных направлений применения называются очистка пиролизного масла, получаемого из пластиковых отходов, регенерация промышленных растворителей, используемых при производстве аккумуляторов, очистка фармацевтических препаратов и производство биотоплива.

Авторы подчёркивают, что предложенная технология основана на новом принципе молекулярного разделения. Взаимодействие мембраны со сложной смесью углеводородов приводит к самопроизвольному формированию наноканалов, обеспечивающих эффективное разделение веществ. Учёные полагают, что дальнейшее совершенствование технологий производства мембран большой площади и подтверждение их долговременной надёжности позволит значительно расширить применение разработки в нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности.

По словам соавторов исследования Чихуна Чхве и Хёкджуна Со из KAIST, следующей целью станет управление процессом самопроизвольного сужения пор и создание универсальной мембранной платформы, пригодной для всего цикла нефтепереработки, а также для переработки пластиковых отходов, очистки биотоплива и других экологически устойчивых химических процессов, способствующих достижению углеродной нейтральности.