انقلاب در پالایش نفت با غشای هوشمند MIT

پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) موفق به توسعه نوعی غشای جداسازی جدید شده‌اند که می‌تواند سوخت‌های مختلف را بر اساس اندازه مولکولی آنها تفکیک کند؛ نوآوری‌ای که ممکن است نیاز به فرآیند پرانرژی تقطیر نفت خام را از بین ببرد.

به گزارش scitechdaily تبدیل نفت خام به سوخت‌های رایج مانند بنزین، گازوئیل و نفت گرمایشی، نیازمند مصرف انرژی بالایی است و به‌تنهایی مسئول حدود ۶ درصد از کل انتشار دی‌اکسیدکربن جهان به شمار می‌رود. بیشتر این انرژی برای گرمایش نفت و جداسازی اجزای آن بر پایه نقطه جوش صرف می‌شود.

اکنون مهندسان MIT موفق به طراحی غشای جدیدی شده‌اند که به جای استفاده از گرما، اجزای نفت را از طریق فیلتراسیون بر پایه اندازه مولکولی تفکیک می‌کند. به گفته‌ی زکری پی. اسمیت، استاد مهندسی شیمی در MIT و نویسنده ارشد این پژوهش، «این روش، رویکردی کاملاً جدید در فرآیند‌های جداسازی است. به‌جای جوشاندن مخلوط‌ها برای خالص‌سازی، چرا اجزا را بر اساس شکل و اندازه جدا نکنیم؟ نوآوری اصلی ما توسعه فیلتری است که می‌تواند مولکول‌های بسیار کوچک را در مقیاس اتمی جدا کند.»

این غشای جدید توانایی دارد اجزای سبک و سنگین نفت خام را به‌صورت مؤثر جدا کند و برخلاف بسیاری از غشا‌های موجود، در برابر تورم ناشی از تماس با ترکیبات آلی مقاوم است. این فیلم نازک با استفاده از تکنیکی تولید می‌شود که پیش‌تر نیز در فرایند‌های صنعتی مورد استفاده قرار گرفته و این امکان را فراهم می‌کند که در مقیاس وسیع تولید شود.

تائه‌هون لی، نویسنده اصلی این مقاله و پژوهشگر پیشین MIT که اکنون استاد دانشگاه سونگ‌کیون‌کوان در کره جنوبی است، این پژوهش را که در مجله Science منتشر شده، رهبری کرده است.

عبور از روش‌های سنتی تقطیر نفت

فرآیند‌های متداول مبتنی بر گرما برای تقطیر نفت خام حدود ۱ درصد از مصرف انرژی جهانی را شامل می‌شوند. تخمین‌ها نشان می‌دهند که استفاده از غشا‌های جداسازی در این فرآیند می‌تواند مصرف انرژی را تا ۹۰ درصد کاهش دهد. برای موفقیت این روش، غشا باید بتواند به‌سرعت عبور هیدروکربن‌ها را ممکن سازد و در عین حال ترکیبات را به‌خوبی بر اساس اندازه‌شان تفکیک کند.

پیش از این تلاش‌ها عمدتاً بر استفاده از پلیمر‌های دارای ریزمنافذ ذاتی مانند PIM-۱ متمرکز بوده‌اند. اگرچه این مواد متخلخل می‌توانند انتقال سریع هیدروکربن‌ها را فراهم کنند، اما تمایل زیادی به جذب ترکیبات آلی دارند و در نتیجه دچار تورم می‌شوند؛ موضوعی که کارایی غربالگری آنها را کاهش می‌دهد.

بهره‌گیری از تجربیات موفق در آب‌شیرین‌کنی

پژوهشگران تصمیم گرفتند برای بهبود عملکرد، به‌جای پلیمر‌های رایج، پلیمر‌هایی را بررسی کنند که پیش‌تر در غشا‌های اسمز معکوس برای آب‌شیرین‌کنی به‌کار رفته‌اند. از دهه ۱۹۷۰ تاکنون، این غشا‌ها موجب کاهش ۹۰ درصدی مصرف انرژی در فرآیند آب‌شیرین‌کنی شده‌اند.

رایج‌ترین غشای اسمز معکوس از پلی‌آمیدی به نام MPD-TMC ساخته می‌شود که از واکنش دو مونومر در مرز بین آب و هگزان ایجاد می‌گردد. اگرچه این ماده برای تصفیه آب مناسب است، اما اندازه منافذ و مقاومت آن در برابر تورم برای جداسازی هیدروکربن‌ها کافی نیست.

برای سازگار کردن این غشا با نیاز‌های نفتی، تیم MIT پیوند آمیدی بین مونومر‌ها را با پیوندی جدید به نام ایمین جایگزین کردند. این پیوند سخت‌تر و آب‌گریزتر است و باعث می‌شود هیدروکربن‌ها سریع‌تر عبور کنند بدون اینکه غشا دچار تورم شود.

به گفته اسمیت، «این پیوند‌های عرضی در پلی‌ایمین باعث ایجاد منافذ پایداری می‌شود که حتی در حضور هیدروکربن‌ها هم تورم ندارند. ما غشا را در فاز روغنی می‌سازیم و در مرز آب واکنش می‌دهیم؛ سپس با اتصال عرضی، ساختار آن تثبیت می‌شود.»

افزایش دقت غربالگری با مولکول تریپتیسن

پژوهشگران همچنین مولکولی به نام تریپتیسن را وارد فرمولاسیون کردند؛ مولکولی با ساختار پایدار که باعث ایجاد منافذ با اندازه مناسب برای عبور هیدروکربن‌ها می‌شود. این موضوع دقت جداسازی را افزایش داده و کارایی غشا را بالا می‌برد.

برای آزمودن عملکرد این غشا، پژوهشگران ابتدا مخلوطی از تولوئن و تری‌ایزوپروپیل‌بنزن را فیلتر کردند. نتیجه، افزایش ۲۰ برابری غلظت تولوئن نسبت به غلظت اولیه در محلول بود. سپس مخلوطی صنعتی شامل نفتا، کروزن و گازوئیل را نیز بررسی کردند و غشا موفق به جداسازی مؤثر ترکیبات سبک و سنگین شد.

به گفته پژوهشگران با استفاده از این غشا‌ها می‌توان چند مرحله از فرآیند تقطیر نفت خام را جایگزین کرد. به‌عنوان مثال، می‌توان ابتدا با یک غشا ترکیبات سبک و سنگین را جدا کرد و سپس در مراحل بعدی با استفاده از غشا‌های مختلف، اجزای مطلوب را به‌صورت هدفمند خالص‌سازی کرد.

لی می‌گوید: «مزیت اصلی روش پلیمریزاسیون در مرز آب و روغن این است که یک روش صنعتی کاملاً تثبیت‌شده برای تولید غشا‌های تصفیه آب است؛ بنابراین می‌توان انتظار داشت این فناوری به‌راحتی در خطوط تولید موجود نیز به‌کار رود.»

انتهای پیام/