新しいテクノロジーにより、より安価に、より少ない量で提供できる可能性があります

再生可能エネルギー源への転換を図る努力にもかかわらず、石油は依然として現代社会の根幹です。 熱と輸送用の燃料と、プラスチックから医薬品に至るまでのあらゆる化学品を提供します。 しかし、これらすべての用途には原油をさまざまな成分に分離する必要があります。 この分離プロセスは伝統的に熱に依存しており、膨大なエネルギーを消費し、毎年世界の温室効果ガス排出量の約 1% を占めています。

現在、化学者らは、新たに開発された材料が、ネバダ州の総エネルギー消費量に相当する年間約230ギガワットを消費する、ほとんど目に見えないとしてもこの重大な二酸化炭素排出量を軽減するのにいつか役立つかもしれないと述べている。 研究者らは今週、新しい膜が規模を拡大すれば、原油の分離に必要なエネルギーを半分以下に削減できる可能性があると報告した。 このような膜は、原油の使用をより環境に優しいものにするだけでなく、製油所のエネルギーコストを年間数十億ドル節約できるため、製油所の生産コストも安くなります。

「潜在的な節約効果はかなり素晴らしいものです」と、今回の研究には関与していないジョージア工科大学の化学エンジニア、ライアン・ライブリー氏は言う。 新しい膜は、一度に数年ではないにしても、数か月は耐久性があることが証明されなければならない、と彼は付け加えた。 同氏らはまた、企業がすでに従来型の分離システムの設置にコストをつぎ込んでいるため、従来型の製油所は導入が遅れる可能性があると警告している。 しかし、ライブリー氏は、この新しい膜は、再生可能電力を使用して作られたバイオ燃料または合成燃料から生成された炭化水素混合物を分離するために建設された新しい製油所にすぐに採用される可能性があると述べています。 「それはまさに熟した領域です」とライブリー氏は言う。

原油は何万もの化学物質の混合物です。 石油精製の最初のステップは、蒸留プロセスを通じて混合物を分離することです。 原料原油は約500℃まで加熱されます。 ガソリンを構成する成分などの軽い成分は、低温で蒸発して捕捉されます。 家庭用暖房油などの重い成分は、高温で蒸発します。

2年前、ライブリー氏とロンドンのクイーン・メアリー大学の化学技術者アンドリュー・リビングストン氏率いる研究者らは、蒸留ではなく膜を使用してこれらの成分を分離することが可能であるとサイエンス誌に報告した。 彼らは、小さくて軽い炭化水素を通過させ、大きくて重い炭化水素の侵入を防ぐ細孔を内蔵した膜を作成しました。 しかし、軽質炭化水素は膜を通過する速度が遅すぎて、現実世界で使用するには実用的ではありませんでした。

これを回避するために、リビングストンと彼の同僚は、界面重合と呼ばれる超薄水脱塩膜を製造するための工業的アプローチに目を向けた。 彼らは、より薄い膜により、必要な炭化水素がより迅速に通過できるようになると期待していました。 しかし、リビングストン氏は、通常、脱塩に使用される膜は水ベースの環境では丈夫であるが、工業用溶剤を含む炭化水素にさらされるとすぐに崩壊してしまうと指摘する。

そこで彼と同僚たちは、従来の膜を構成するポリマーを再開発した。 まず、彼らは疎水性または油状の部分を親水性または水のような鎖に結合する個々のポリマーを作成しました。 これらの分子を油と水の混合物に加えると、疎水性部分が内側を向いた小さな泡、つまり小胞が自発的に集合しました。 次に、彼らは界面重合技術を使用して、これらの小胞を連続した極薄シートに広げ、すべてのポリマーユニットを結合して堅牢な膜を形成しました。

このアプローチはうまくいきました。 小胞の疎水性コアにより、（サイズやその他の特性に基づいて）選択された炭化水素が容易に通過できるようになり、以前の油分離膜よりも約 10 倍の速度で通過できると、リビングストンと彼の同僚が昨日サイエンス誌に報告しました。 研究者らはまた、ポリマーの化学組成を調整することで、異なるサイズの炭化水素を選択的に通過させるさまざまな膜を作成できることも示した。

エクソン社の化学エンジニアであり、新しい論文のチームメンバーでもあるニール・ラングネカール氏によると、蒸留から膜分離に切り替えることで、原油の加熱コストを最大50％、精製に使用する電気コストを75％節約できる可能性があるという。 、年間少なくとも35億ドルに達します。

「これは非常に興味深い結果です」と、この研究には関与していないオークリッジ国立研究所の分離専門家デイビッド・ショル氏は言う。 しかし、ショール氏は、この新しい膜はまだ産業利用の準備ができていない、と指摘する。 依然として、便箋サイズから数百平方メートルまでスケールアップし、何か月も継続して使用できる耐久性を証明する必要があります。 しかし、ショール氏は、これらの心強い発見により、石油会社はコストを節約し、二酸化炭素排出量を削減できる技術の研究を続けることが確実になると考えている。 「すべての化学会社がそれを実現することに非常に興味を持っています」と彼は言う。