Ученые Массачусетского технологического института (MIT) разработали новую технологию нефтепереработки, позволяющую разделять сырье на фракции на молекулярном уровне без термических реакций. Эта инновация поможет снизить энергозатраты на переработку нефти до 90%. Работа была частично профинансирована компанией ExxonMobil в рамках Энергетической инициативы MIT.
Современная система переработки нефти требует значительных энергоресурсов: на разделение сырья на фракции, такие как бензин, дизельное и печное топливо, приходится около 1% мирового энергопотребления и около 6% глобальных выбросов CO₂. Большая часть энергии расходуется на нагрев, необходимый для разделения компонентов по их температуре кипения.
Инженеры MIT предложили альтернативу, представляющую собой молекулярное «просеивание» нефти через специальную мембрану. В статье, опубликованной в журнале Science, авторы разработки, доцент кафедры химической инженерии MIT Закари П. Смит и ныне доцент Университета Сонгюнгван (Южная Корея) Тэхун Ли, охарактеризовали этот метод как фильтрацию на атомарном уровне.
Ранее уже предпринимались попытки создать мембраны для разделения углеводородов, при этом разработчики делали акцент на полимерах с внутренней микропористостью (PIM), таких как материал PIM-1. Однако, обеспечивая быстрый проход молекул, эти мембраны оказались склонны к набуханию при взаимодействии с органическими соединениями, что ухудшало их фильтрующие свойства.
В поисках более стабильного материала исследователи из MIT обратились к мембранам, используемым при опреснении воды методом обратного осмоса (эта технология в 1970-е позволила значительно снизить энергозатраты в этой области). Ключевым элементом этих мембран является полиамидная пленка, формирующаяся на границе раздела воды и органического растворителя, такого как гексан. Гидрофильный мономер MPD (мета-фенилендиамин), растворенный в воде, реагирует с гидрофобным мономером TMC (тримезоилхлорид) из органического слоя, образуя полиамидную структуру MPD-TMC. Чтобы адаптировать ее к условиям нефтепереработки, ученые модифицировали химическую структуру: заменили амидную связь на более жесткую и гидрофобную иминную, а также добавили мономер триптицена — устойчивую молекулу, способствующую формированию пор нужного размера.
Испытания новой мембраны показали высокую эффективность. При фильтрации смеси толуола и триизопропилбензола (TIPB) удалось увеличить концентрацию толуола в 20 раз. Также успешно были протестированы смеси, близкие по составу к промышленным, включая нафту, керосин и дизельное топливо. Разработчики полагают, что такие мембраны можно применять каскадно: сначала для разделения нефти на легкие и тяжелые фракции, а затем — для более точного выделения целевых компонентов. Благодаря тому, что технология межфазной полимеризации уже используется в промышленности, новая мембрана может быть оперативно масштабирована и внедрена в существующие производственные процессы.
