韓国科学技術院 (KAIST) とジョージア工科大学の研究チームが、室温で原油を分離できる低コストの膜を開発しました。この新しい膜は、精製所でのエネルギー集約型の蒸留プロセスの代替手段を提供します。この膜は多孔質のポリアクリロニトリル (PAN) で作られており、従来の分子分離に必要な超薄選択的コーティングを排除しています。研究者たちは、この方法が精製のエネルギー消費を削減し、製造コストを低下させ、膜ベースの原油分留のスケーラビリティを改善できると述べています。
原油精製はエネルギー集約型の産業プロセスであり、従来の蒸留には350°Cを超える高温が必要で、原油をガソリン、灯油、ワックスなどの製品に分離します。世界では毎年約1,100テラワット時の電力が消費されており、これは精製のエネルギー消費と温室効果ガス排出の主要な原因となっています。石油化学業界がコストと排出量の削減を求める中、膜ベースの分離技術は徐々に有望な代替手段となっています。新しい研究は、従来の精密分子分離に不可欠と考えられていた超薄選択的コーティングを回避する、より簡単な方法を証明しました。
研究者たちは、原油を露出した多孔質PAN膜を通過させました。これは安価で化学的に安定した材料で、工業フィルタリングに広く使用されています。
新膜技術が原油分離効率を大幅に向上
原油が膜を流れると、重い炭化水素が自然に孔壁に蓄積し、幅が2ナノメートル未満の自己組織化チャネルを形成します。これらのナノサイズのチャネルは、ワックス、ガソリン、灯油などの軽い成分が通過することを許可し、重い成分を保持します。研究者たちは、膜の汚染が通常は欠点と見なされるが、選択的分離を実現するメカニズムとなることを偶然発見しました。研究によれば、露出したPAN膜の原油透過率は、以前に報告された最先端の膜の約23倍であり、28日間連続して安定した性能を維持し、エネルギー消費と精製コストの削減の可能性を強調しています。
研究者たちは、この膜技術がモジュール式フィルターユニットとして既存の精製インフラに統合できると述べており、精製所が大型設備を交換することなくこのプロセスを採用できるようにします。これにより、展開のコストと複雑さが削減され、産業の採用が加速される可能性があります。プロセスシミュレーションによれば、従来の原油蒸留の前に膜を前処理ステップとして使用することで、全体のエネルギー消費を31.6%削減できるとされています。この方法は、二酸化炭素排出量を37.6%削減し、冷却水の使用量を20.7%削減し、運営コストを従来の精製方法と比較して36%削減することも見込まれています。
研究チームによれば、韓国の精製および石油化学業界で広く採用されれば、毎年約1000万トンの温室効果ガス排出を削減できるとされています。これは約400万台の内燃機関車両が生み出す排出量に相当します。研究者たちは、この膜プラットフォームの適用範囲が原油精製を超え、廃プラスチックから生成される熱分解油の浄化、バッテリー製造で使用される工業溶剤の回収、製薬の浄化、バイオ燃料の生産などの潜在的な応用があると信じています。研究の結論は、自己形成膜が新しい分子分離方法を表しており、膜と複雑な液体混合物との相互作用がナノサイズの分離チャネルを創出することを示しています。
研究チームは、大面積膜の製造と長期的な運用の信頼性に関するさらなる進展が、精製、石油化学、化学加工業界でのより広範な応用を支えると考えています。「私たちの目標は、この自発的な孔収縮現象を正確に制御し、精製プロセス全体に適用できる膜プラットフォームに発展させることです。また、この技術をプラスチックリサイクル、バイオ燃料の浄化、その他のカーボンニュートラルを支援する持続可能な化学プロセスに拡張したいと考えています」と、KAISTの共同第一著者である崔志勲と徐赫俊はTechXploreの声明で述べています。