Neue Membrantechnologie könnte die Raffination von Rohöl revolutionieren, indem sie den Energieverbrauch drastisch senkt
Ein jahrhundertealter Prozess wird neu gedacht
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Ein Team internationaler Forscher hat eine neue Klasse ultradünner Polymermembranen entwickelt, mit denen sich komplexe Kohlenwasserstoffgemische schnell und selektiv trennen lassen. Dies könnte die Raffination von Rohöl und die Aufbereitung von Raffinerieströmen grundlegend verändern und den Energiebedarf für einen der energieintensivsten industriellen Prozesse der Welt erheblich senken.
Die Studie „Ultradünne Polymermembranen mit festgelegter intrinsischer Mikroporosität für die Kohlenwasserstofffraktionierung“ hat einen neuen Weg zur Bildung der Trennschichten in Polymermembranen für molekulare Trennungen aufgezeigt. Der Durchbruch beruht auf der Art und Weise, wie das Vernetzungsmittel für den Polymerfilm dem Polymer während der Membranherstellung zugesetzt wird. Das Ergebnis ist eine skalierbare Membrantechnologie, die komplexe organische Gemische mit beispielloser Effizienz in wertvolle Fraktionen trennen kann. Die Membranen verbinden extrem hohe molekulare Selektivität mit schnellem Flüssigkeitstransport – eine Kombination, die Wissenschaftlern und Ingenieuren auf diesem Gebiet lange Zeit verwehrt geblieben war.
Ein jahrhundertealter Prozess wird neu gedacht
Die konventionelle Erdölraffination basiert auf der thermischen Destillation, einem Verfahren, das enorme Mengen an Energie verbraucht und rund ein Prozent des weltweiten Energieverbrauchs ausmacht. Obwohl Membrantechnologien seit langem eine weitaus energieeffizientere Alternative versprechen, wurde ihre industrielle Einführung durch grundlegende materialtechnische Herausforderungen eingeschränkt.
„Membranen können im Prinzip dieselbe Aufgabe wie die Destillation oder Verdampfung erfüllen, dabei aber weitaus weniger Energie verbrauchen“, erklärt der leitende Forscher Andrew Livingston, Professor für Chemieingenieurwesen und Vizepräsident für Forschung und Innovation an der Queen Mary University of London sowie CEO von Exactmer. „Das Problem bestand darin, Materialien zu finden, die bei Kontakt mit realen Kohlenwasserstoffgemischen sowohl schnell als auch selektiv reagieren.“
Poren im Nanobereich „verriegeln“
Der in dieser Studie beschriebene Durchbruch besteht in einer neuen Methode zur Herstellung von Polymermembranen, bei der ihre Poren im Nanobereich während der Bildung „verriegelt“ werden.
Die Forscher konzentrierten sich auf Polymere mit intrinsischer Mikroporosität – Materialien, die für ihre schwammartige Struktur mit Poren im Subnanometerbereich bekannt sind. Diese Poren eignen sich zwar ideal für die Trennung von Molekülen nach Größe und Art, doch die Polymere quellen normalerweise auf, wenn sie Kohlenwasserstoffen ausgesetzt werden, wodurch sich die Poren ausdehnen und an Selektivität verlieren.
Um dies zu überwinden, entwickelte das Team ein In-situ-Vernetzungsverfahren, das die Polymerstruktur während der Membranbildung stabilisiert. Dieser Prozess fixiert die Poren in ihrer optimalen Konfiguration und erzeugt so, wie die Forscher es nennen, Polymere mit fixierter intrinsischer Mikroporosität (PLIMs).
„Der Schlüssel lag darin, die Struktur zu stabilisieren, bevor das Polymer überhaupt anschwellen konnte“, erklärt Dr. Zhiwei Jiang, der die Forschung als Leiter der Membranforschung bei Exactmer leitete und mittlerweile als Assistenzprofessor an der Nanyang Technological University in Singapur tätig ist. „Dadurch bleiben die winzigen Poren erhalten, die die molekulare Trennung ermöglichen, während Kohlenwasserstoffe dennoch sehr schnell hindurchströmen können.“
Um die molekularen Ursachen dieser Verriegelung zu untersuchen, nutzte das UCL-Team unter der Leitung von Dr. Foglia die quasi-elastische Neutronenstreuung an der ISIS Neutron and Muon Source, der nationalen Pulsneutronenanlage Großbritanniens und einem unübertroffenen Werkzeug zur Untersuchung der Dynamik von Polymerketten.
Hervorragende Leistung bei Rohöl und Raffinerieströmen
Bei Tests mit synthetischem Rohöl zeigten PLIM-Membranen eine bis zu zehnmal höhere Permeanz als bestehende Membranen auf dem neuesten Stand der Technik und behielten dabei eine hohe Selektivität bei. Die Membranen waren in der Lage, effektiv zwischen Kohlenwasserstoffmolekülen zu unterscheiden, die sich nur geringfügig in ihrer Größe unterscheiden.
In Tests mit echtem arabischem „Extra Light“-Rohöl haben die Membranen:
- 99,8 % der Kohlenwasserstoffe mit mehr als 15 Kohlenstoffatomen entfernt
- reduzierten schwefelhaltige Verbindungen um 93 % – ein entscheidender Schritt zum Schutz nachgeschalteter Katalysatoren und Anlagen
Die Membranen zeigten zudem besonders gute Leistungen bei Raffinerieströmen wie beispielsweise Virgin-Naphtha. In diesen Tests trennten sie effizient leichte Kohlenwasserstoffe (C4–C6), die für die Kraftstoffaufbereitung geeignet sind, von schwereren Naphtha-Fraktionen, die zur Herstellung von Kunststoffen und Chemikalien verwendet werden – und das alles bei Permeanzen, die mit denen kommerzieller Entsalzungsmembranen vergleichbar sind.
Für die Skalierung konzipiert
Entscheidend ist, dass die Forscher nachweisen konnten, dass die Membranen in großem Maßstab hergestellt werden können. Mithilfe der Roll-to-Roll-Verarbeitung produzierten sie über einen Meter breite Bahnen und integrierten diese in standardmäßige spiralförmig gewickelte Membranmodule, wie sie in der Industrie üblicherweise verwendet werden.
„Diese Membranen sind nicht nur Labor-Kuriositäten“, sagte Dr. Adam Oxley, Erstautor der Forschungsarbeit und mittlerweile stellvertretender Vizepräsident für Membranen bei Exactmer. „Sie können mit etablierten Fertigungstechniken hergestellt und in bestehende industrielle Modulkonstruktionen eingebaut werden. Bei Exactmer integrieren wir diese neuen Techniken in Membranen, die für hochwertige Trennverfahren in organischen Lösungsmitteln eingesetzt werden.“
Langzeittests zeigten eine stabile Leistung über 30 Tage Dauerbetrieb, was auf ein großes Potenzial für den tatsächlichen industriellen Einsatz hindeutet.
Ein nachhaltigerer Weg für die Raffinerie
Während das globale Energiesystem auf kohlenstoffärmere Alternativen umgestellt wird, besteht weiterhin Bedarf an Kraftstoffen, Chemikalien, Lösungsmitteln und Materialien, die aus Kohlenwasserstoffen gewonnen werden. Die Verbesserung der Effizienz bestehender Trennverfahren ist daher unerlässlich, um die Emissionen während der Übergangsphase zu reduzieren.
Durch die Ermöglichung schneller und selektiver membranbasierter Trennverfahren könnte die PLIM-Technologie Branchen von der Ölraffinerie bis zur Pharmaindustrie in die Lage versetzen:
- den Energieverbrauch drastisch senken
- die CO₂-Emissionen zu senken
- mit kleineren, flexibleren Verarbeitungsanlagen zu arbeiten
- die selektive Entschwefelung früher in den Raffinationsprozess zu integrieren
Die Forscher weisen darauf hin, dass dasselbe Konzept der Porenverriegelung auf andere Herausforderungen bei der Flüssigkeitstrennung ausgeweitet werden könnte, darunter die chemische Produktion, die Lösungsmittelrückgewinnung und neue biobasierte Rohstoffe.
Ausblick
Das Team untersucht derzeit umweltfreundlichere Lösungsmittel für die Membranherstellung und erforscht, wie PLIM-Membranen in gezielten Hybridprozessen neben der bestehenden Raffinerieinfrastruktur sowie bei der Herstellung hochwertiger Arzneimittel in organischen Lösungsmitteln eingesetzt werden könnten.
„Diese Arbeit zeigt, dass die membranbasierte molekulare Trennung in organischen Flüssigkeiten nicht mehr nur eine theoretische Möglichkeit ist“, sagte Professor Livingston. „Mit dem richtigen Materialdesign kann sie schnell, selektiv und skalierbar sein – und bereit für den industriellen Einsatz.“
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Originalveröffentlichung
Adam Oxley, Chunchun Ye, Seok Ju Han, Guoke Zhao, Yihao Guo, Xin Shi, Jie Liu, Keenan Smith, Mona Sarter, Lakshmeesha Upadhyaya, Shanshan Hong, Vasilios G. Samaras, Qin Qian, Yanan Liu, Gary S. Nichol, Yiqun Liu, Suzana P. Nunes, Fabrizia Foglia, Jianwen Jiang, Anqi Wang, Neil B. McKeown, Andrew G. Livingston, Zhiwei Jiang; "Ultrathin polymer membranes with locked intrinsic microporosity for hydrocarbon fractionation"; Science, Volume 392
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