A nova tecnologia de membrana pode reduzir as emissões de carbono e a intensidade energética associada ao refino do petróleo bruto. O professor Ryan Lively da Georgia Tech Associate mostra um módulo contendo o novo material de membrana, enquanto o Professor M.G. Finn segura frascos contendo alguns dos outros polímeros usados neste estudo. Crédito:Christopher Moore, Georgia Tech
Nova tecnologia de membrana desenvolvida por uma equipe de pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia, Colégio Imperial de Londres, e a ExxonMobil poderia ajudar a reduzir as emissões de carbono e a intensidade energética associadas ao refino do petróleo bruto. Testes de laboratório sugerem que esta tecnologia de membrana de polímero pode substituir alguns processos convencionais de destilação à base de calor no futuro.
O fracionamento de misturas de petróleo bruto usando destilação à base de calor é uma grande escala, processo de uso intensivo de energia que é responsável por quase 1% do uso mundial de energia:1, 100 terawatts-hora por ano (TWh / ano), que equivale ao total de energia consumida pelo estado de Nova York em um ano. Ao substituir as membranas de baixa energia por certas etapas no processo de destilação, a nova tecnologia pode um dia permitir a implementação de um sistema de refino híbrido que pode ajudar a reduzir as emissões de carbono e o consumo de energia significativamente em comparação com os processos de refino tradicionais.
"Muito em nossas vidas modernas vem do petróleo, então a separação dessas moléculas torna nossa civilização moderna possível, "disse M.G. Finn, professor e catedrático da Escola de Química e Bioquímica da Georgia Tech. Finn também detém a cadeira da família James A. Carlos para tecnologia pediátrica. "A escala de separação necessária para fornecer os produtos que usamos é incrivelmente grande. Esta tecnologia de membrana pode ter um impacto significativo no consumo global de energia e nas emissões resultantes do processamento de petróleo."
A ser relatado na edição de 17 de julho da revista Ciência , acredita-se que o artigo seja o primeiro relatório de uma membrana sintética projetada especificamente para a separação de petróleo bruto e frações de petróleo bruto. Pesquisa e desenvolvimento adicionais serão necessários para levar essa tecnologia à escala industrial.
A tecnologia de membrana já é amplamente utilizada em aplicações como dessalinização de água do mar, mas a complexidade do refino de petróleo até agora limitou o uso de membranas. Para superar esse desafio, a equipe de pesquisa desenvolveu um novo polímero espirocíclico que foi aplicado a um substrato robusto para criar membranas capazes de separar misturas de hidrocarbonetos complexos por meio da aplicação de pressão em vez de calor.
Kirstie Thompson e Ronita Mathias, assistentes de pesquisa graduados da Georgia Tech, com um frasco contendo materiais poliméricos usados para criar uma nova tecnologia de membrana que poderia reduzir as emissões de carbono e a intensidade de energia associadas ao refino de petróleo bruto. Crédito:Christopher Moore, Georgia Tech
As membranas separam as moléculas das misturas de acordo com diferenças como tamanho e forma. Quando as moléculas são muito próximas em tamanho, essa separação se torna mais desafiadora. Usando um processo bem conhecido para fazer ligações entre átomos de nitrogênio e carbono, os polímeros foram construídos conectando blocos de construção com uma estrutura dobrada para criar materiais desordenados com espaços vazios embutidos.
A equipe conseguiu equilibrar uma variedade de fatores para criar a combinação certa de solubilidade - para permitir que as membranas sejam formadas por processamento simples e escalável - e rigidez estrutural - para permitir que algumas moléculas pequenas passem mais facilmente do que outras. Inesperadamente, os pesquisadores descobriram que os materiais precisavam de uma pequena quantidade de flexibilidade estrutural para melhorar a discriminação de tamanho, bem como a capacidade de ser ligeiramente "pegajoso" em relação a certos tipos de moléculas que são encontradas em abundância no petróleo bruto.
Depois de projetar os novos polímeros e alcançar algum sucesso com uma gasolina sintética, combustível de avião, e mistura de combustível diesel, a equipe decidiu tentar separar uma amostra de petróleo bruto e descobriu que a nova membrana era bastante eficaz na recuperação de gasolina e combustível de aviação da mistura complexa.
"Estávamos inicialmente tentando fracionar uma mistura de moléculas muito semelhantes, "disse Ben McCool, um associado sênior de pesquisa da ExxonMobil e um dos co-autores do artigo. "Quando adotamos um feed mais complexo, óleo cru, obtivemos fracionamento que parecia que poderia ter vindo de uma coluna de destilação, indicando o grande potencial do conceito. "
Os pesquisadores trabalharam de forma colaborativa, com polímeros projetados e testados na Georgia Tech, em seguida, convertidos em filmes de 200 nanômetros de espessura, e incorporado em módulos de membrana na Imperial usando um processo roll-to-roll. As amostras foram testadas em todas as três organizações, fornecendo confirmação de vários laboratórios das capacidades da membrana.
Kirstie Thompson e Ronita Mathias, assistentes de pesquisa graduados da Georgia Tech, com uma amostra de um novo material de membrana que poderia reduzir as emissões de carbono e a intensidade de energia associada ao refino de petróleo bruto. Crédito:Christopher Moore, Georgia Tech
"Temos a experiência fundamental de levar a nanofiltração de solvente orgânico, uma tecnologia de membrana que está se tornando amplamente utilizada nas indústrias farmacêutica e química, para o mercado, "disse Andrew Livingston, professor de engenharia química no Imperial. "Trabalhamos extensivamente com a ExxonMobil e a Georgia Tech para demonstrar o potencial de escalabilidade dessa tecnologia para os níveis exigidos pela indústria do petróleo."
A equipe de pesquisa criou um canal de inovação que se estende desde a pesquisa básica até a tecnologia que pode ser testada em condições do mundo real.
"Reunimos ciência e química básicas, fundamentos de fabricação de membrana aplicada, e análise de engenharia de como as membranas funcionam, "disse Ryan Lively, professor associado e membro do corpo docente John H. Woody na Escola de Engenharia Química e Biomolecular da Georgia Tech. "Pudemos ir de pós em escala miligrama até protótipos de módulos de membrana em formatos comerciais que eram desafiados com petróleo bruto real - foi fantástico ver esse pipeline de inovação em ação."
O relacionamento da ExxonMobil com a Georgia Tech remonta a quase 15 anos e produziu inovações em outras tecnologias de separação, incluindo uma nova membrana de peneira molecular baseada em carbono que poderia reduzir drasticamente a energia necessária para separar uma classe de moléculas de hidrocarbonetos conhecidas como alquil aromáticos.
"Por meio da colaboração com instituições acadêmicas fortes, como Georgia Tech e Imperial, estamos constantemente trabalhando para desenvolver as soluções de energia de menor emissão do futuro, "disse Vijay Swarup, vice-presidente de pesquisa e desenvolvimento da ExxonMobil Research and Engineering Company.
