Umweltfreundlichere Kohlenwasserstofftrennung und Rohölraffination
Membranen auf Polymerbasis, die Kohlenwasserstoff- und Rohölgemische selektiv trennen, könnten die derzeitigen industriellen thermischen Verfahren in den Schatten stellen
An der KAUST entwickelte Membranen auf Polymerbasis könnten umweltfreundlichere und kostengünstigere industrielle Trennverfahren ermöglichen. Ihre Stabilität und Selektivität kann durch thermische Vernetzung eingestellt werden, um einfache Kohlenwasserstoffgemische und komplexe Rohölfraktionen zu trennen.
Eine von Wissenschaftlern der KAUST entwickelte organische Polymermembran bietet eine umweltfreundlichere und nachhaltigere Möglichkeit zur Trennung von Kohlenwasserstoffgemischen.
2022 KAUST; Anastasia Serin.
Trennverfahren wie Destillation und Verdampfung sind in der chemischen, pharmazeutischen und petrochemischen Industrie von zentraler Bedeutung, aber sie sind auch energieintensiv, teuer und umweltschädlich. Jedes Jahr verbrauchen Rohölraffinerien etwa ein Prozent der weltweit eingesetzten Gesamtenergie, und einige Raffinerien können sogar bis zu 20 bis 35 Millionen Tonnen Kohlendioxid (CO2) in die Atmosphäre freisetzen.
"Die Verringerung der Treibhausgasemissionen ist ein Schritt nach vorn bei der Bekämpfung des Klimawandels", sagt der Hauptautor Stefan Chisca, ein Forscher an der KAUST. Membranen mit ihrem geringen Kohlenstoffausstoß und ihrer Fähigkeit, auf kleinem Raum Platz zu finden, bieten eine attraktive Alternative zu diesen wärmebasierten Verfahren und können dieCO2-Emissionen von Erdölraffinerien verringern.
Polymermembranen sind billiger und einfacher herzustellen und an großtechnische Prozesse anzupassen als anorganische Membranen. Ihre geringe Stabilität unter rauen industriellen Bedingungen wie hohen Temperaturen und bestimmten Lösungsmitteln beeinträchtigt jedoch ihre Leistung.
Die Forscher wählten für ihre Membran das Polymer Polytriazol, das funktionelle Hydroxylgruppen als stabiles Grundgerüst trägt. Sie brachten das in verschiedenen Lösungsmitteln gelöste Polymer auf eine Glasplatte auf und tauchten den Träger in destilliertes Wasser, um den entstandenen Film zu entfernen. Anschließend erhitzten sie den Film in einem Ofen, um die Hydroxylgruppen zu vernetzen und eine Membran zu erzeugen, die sowohl in organischen Lösungsmitteln als auch in stark sauren und basischen Medien stabil ist.
Die Vernetzung ist für anspruchsvolle Anwendungen notwendig und muss unter den unterschiedlichsten Bedingungen stabil sein, erklärt die Teamleiterin Suzana Nunes. "Der Schlüssel zur Erzielung von Membranen, die rauen Umgebungen wie Rohöl widerstehen können, ist das Vorhandensein von Hydroxylgruppen", erklärt sie.
Die Membranen reicherten Kohlenwasserstoffmischungen um bis zu 95 Prozent in Verbindungen mit weniger als zehn Kohlenstoffen an. Sie wiesen eine höhere Selektivität für Paraffine als für Aromaten auf, was es den Forschern ermöglichte, verschiedene Rohölmischungen gezielt zu behandeln.
"Ein weiterer entscheidender Faktor für den Erfolg dieser Membranen ist ihre asymmetrische poröse Morphologie", sagt Nunes. Die Oberseite der Membranen wies eine ultradünne, dichte Schicht auf, die durch Vernetzung verfestigt wurde und für Größenselektivität sorgt. Die darunter liegenden Schichten wiesen eine hochporöse Struktur mit offenen, miteinander verbundenen Poren auf, die mit zunehmender Tiefe allmählich größer wurden, um die Permeation zu ermöglichen.
Chisca erklärt, dass das Team nun die Membranen vergrößert und Testmodule für Pilotanlagen herstellt. Durch den Einbau einer Polytriazol-Membraneinheit in bestehende Raffinerien können diese Prozesse verbessert werden, indem Komponenten mit höherem Reinheitsgrad hergestellt oder Nebenprodukte entfernt werden, während der Energieverbrauch gesenkt wird.
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