Far bollire è la parte costosa
Le raffinerie separano il greggio allo stesso modo da un secolo: lo riscaldano oltre i 350°C perché vaporizzi, poi raffreddano il vapore per recuperare le diverse frazioni. La distillazione del greggio consuma circa 1.100 terawattora di energia all'anno nel mondo, all'incirca la produzione di 130 centrali nucleari di scala gigawatt che funzionano senza sosta. Le membrane che potrebbero assumersi parte di quel lavoro sono studiate da anni, ma il design convenzionale richiede un rivestimento selettivo ultrasottile sulla superficie della membrana, costoso da produrre e soggetto a difetti su larga scala.
Lasciare che il petrolio costruisca i propri canali
Un team guidato dal professor Dong-Yeun Koh al KAIST, in collaborazione con il gruppo del professor Ryan Lively al Georgia Tech, ha provato l'approccio opposto. Hanno spinto il greggio direttamente attraverso una membrana nuda porosa di poliacrilonitrile, un polimero stabile ed economico normalmente usato come strato di supporto. Gli idrocarburi pesanti si sono depositati sulle pareti dei pori e hanno ristretto le aperture in canali auto-assemblati più piccoli di 2 nanometri. Le frazioni leggere come nafta, benzina e cherosene passavano rapidamente; i componenti più pesanti venivano trattenuti.
Il fouling, il problema che normalmente degrada le membrane, è diventato il meccanismo che ha reso possibile la separazione. La membrana ha mostrato una permeazione circa 23 volte superiore ai sistemi precedenti e ha funzionato stabilmente per 28 giorni, secondo lo studio pubblicato su Nature. Le simulazioni di processo suggeriscono che usarla a monte della distillazione ridurrebbe il consumo energetico di circa il 32%, l'anidride carbonica del 38%, l'acqua di raffreddamento del 21% e i costi operativi del 36%.
Dal banco di laboratorio al cancello della raffineria
Niente di tutto questo è ancora installato in una raffineria operativa, e il divario tra un test di 28 giorni e un impianto che funziona per anni è dove fallisce la maggior parte delle idee di separazione. Le raffinerie sono industria pesante: pompe, compressori, scambiatori di calore e colonne sono dimensionati attorno a un treno di distillazione, e qualsiasi retrofit deve adattarsi a essi. Separatamente, ricercatori dell'Istituto di Fisica Chimica di Dalian in Cina hanno riportato risparmi energetici in laboratorio di circa il 91% per un processo di raffinazione molecolare che intrappola diverse molecole di petrolio in membrane ingegnerizzate. Entrambe le linee di lavoro puntano nella stessa direzione. Se una delle due raggiungesse la scala commerciale, il premio sarebbe un'industria della raffinazione che usa meno calore, emette meno e può essere costruita più piccola.
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