Международная группа ученых разработала способ разделять сырую нефть на фракции при комнатной температуре, что может кардинально изменить одну из самых энергоёмких промышленных технологий. Новый метод основан на недорогой мембране, которая позволит НПЗ сократить потребление энергии, операционные расходы и выбросы углекислого газа.
Исследование провели специалисты Корейского института передовых технологий (KAIST) и Технологического института Джорджии (США). Результаты их работы опубликованы в журнале Nature. Современная нефтепереработка основана на дистилляции – сырьё нагревают до температур свыше 350 °C. В мировом масштабе этот процесс потребляет около 1100 тераватт-часов в год, что сопоставимо с годовой выработкой 130 гигаваттных атомных электростанций.
Ученые предложили альтернативу – фильтрацию через мембрану из полиакрилонитрила (ПАН). Это дешёвый и химически стабильный полимер, который уже применяют в промышленных фильтрах. Неожиданным оказался сам принцип работы. Вместо того чтобы наносить на мембрану дорогостоящее селективное покрытие, исследователи пропустили через неё сырую нефть. Тяжёлые углеводородные молекулы начали оседать на внутренних стенках пор, постепенно сужая их до наноразмерных каналов – менее двух нанометров в диаметре. Таким образом, нефть самостоятельно сформировала фильтрующую структуру для разделения собственных компонентов.
Обычно засорение пор считается проблемой, снижающей эффективность фильтров. Однако в этом случае оно стало ключевым элементом технологии: образовавшиеся наноканалы пропускали лёгкие фракции (нафту, бензин, керосин), но задерживали более тяжёлые. Мембрана показала пропускную способность в 23 раза выше, чем у ранее известных аналогов, и стабильно отработала в течение 28 дней.
Новую технологию можно встроить в существующие производственные циклы как этап предварительной очистки сырья перед дистилляцией. Компьютерное моделирование показало, что такой подход позволит снизить энергопотребление НПЗ на 31,6%, выбросы CO2 – на 37,6%, а операционные затраты – на 36%. По оценкам авторов, внедрение системы в нефтехимической промышленности Южной Кореи сократит выбросы парниковых газов на 10 млн тонн в год, что эквивалентно выхлопам четырёх миллионов легковых автомобилей.
В ходе экспериментов учёные использовали настоящую сырую нефть, предоставленную компанией HD Hyundai Oilbank. Теперь исследователи планируют наладить производство мембран большего размера и проверить их надёжность в ходе длительной эксплуатации. В перспективе технологию можно применять для очистки пиролизного масла при переработке пластика, в производстве биотоплива и для регенерации растворителей в аккумуляторной промышленности.
