Většina průmyslové chemiky tráví své dny oddělování složek velké množství chemické směsi na čistý nebo čistší formy. Zúčastněné procesy, jako je destilace, představují 10-15% světové spotřeby energie1, 2.

Metody k čištění chemikálie, které jsou energeticky účinnější by, pokud se použije na NÁS ropný, chemický a papírenský výrobních odvětví na pokoji, ušetřit 100 milionů tun oxidu uhličitého a NÁS 4 miliardy dolarů v nákladech na energii annually3 (viz snižování nákladů‘). Jiné metody by umožnily využití nových zdrojů materiálů, například těžbou kovů z mořské vody.

bohužel alternativy k destilaci, jako je separace molekul podle jejich chemických vlastností nebo velikosti, jsou nedostatečně rozvinuté nebo nákladné. Inženýři v průmyslu a akademické sféře potřebují vyvinout lepší a levnější membrány a další způsoby, jak oddělit směsi chemikálií, které se nespoléhají na teplo.

zde zdůrazňujeme sedm procesů chemické separace, které by, pokud by se zlepšily, sklízely velké globální výhody. Náš seznam není vyčerpávající; téměř všechny komerční chemikálie vznikají z procesu separace, který by mohl být vylepšen.

sedm separací

uhlovodíků z ropy. Hlavními složkami pro výrobu fosilních paliv, plastů a polymerů jsou uhlovodíky. Každý den rafinerie po celém světě zpracovávají kolem 90 milionů barelů ropy-zhruba 2 litry pro každého člověka na planetě. Nejvíce tak učinit pomocí atmosférické destilace, která spotřebuje asi 230 gigawattů (GW) globally3, což odpovídá celkové energetické spotřeby Spojeného Království v roce 2014 nebo o půl, že z Texasu. V typické rafinérii se 200 000 barelů ropy denně zahřívá v 50 metrů vysokých sloupcích, aby se uvolnily tisíce sloučenin podle jejich bodů varu. Lehké plyny se objevují na chladném vrcholu (při přibližně 20 °C); postupně těžší tekutiny opouštějí v nižších a teplejších bodech (až do 400 °C).

Najít alternativu k destilaci je obtížné, protože ropa obsahuje mnoho složitých molekul, některé s vysokou viskozitou, a nesčetné množství kontaminujících látek, včetně sloučenin síry a kovů jako je rtuť a nikl. V zásadě je možné oddělit uhlovodíky podle jejich molekulárních vlastností, jako je chemická afinita nebo molekulární velikost. Membránové separační metody nebo jiné netepelné metody mohou být řádově energeticky účinnější než tepelně řízené separace, které používají destilaci. Ale malý výzkum byl proveden.

Výzkumní pracovníci si musí najít materiály, které jsou schopny oddělovat mnoho rodin molekul ve stejné době, a že práce na vysoké teploty potřebné k udržení těžké oleje teče, aniž by se stal blokován nečistot.

uran z mořské vody. Jaderná energie bude klíčová pro budoucí výrobu nízkouhlíkové energie. Ačkoli trajektorie jaderného průmyslu je nejistá, při současné spotřebě mohou známé geologické zásoby uranu (4,5 milionu tun) trvat století4. Více než 4 miliardy tun uranu existují v mořské vodě na úrovni části na miliardu.

vědci hledali způsoby, jak oddělit Uran od Mořské vody4 po celá desetiletí. Existují materiály schopné zachytit Uran, jako jsou porézní polymery obsahující amidoximové skupiny. Tyto molekulární „klece“ však zachycují i jiné kovy, včetně vanadu, kobaltu a niklu.

chemici potřebují vyvinout procesy k odstranění těchto kovů při čištění a koncentraci uranu z mořské vody. V letech 1999-2001 zachytily japonské týmy přibližně 350 gramů uranu pomocí adsorbentu4. Spuštění nové jaderné elektrárny vyžaduje stovky tun uranového paliva, takže rozsah těchto procesů by musel být výrazně zvýšen. Je zapotřebí zejména úsilí o snížení nákladů na adsorbentní materiály.

podobné technologie by mohly zachytit další cenné kovy4, jako je lithium, které se používá v bateriích. Množství lithia rozpuštěné v oceánech je desetkrát větší, než ve známé pozemní zdroje; omezená velikost může stát dlouhodobou překážku pro skladování energie.

alkeny z alkanů. Výroba plastů jako polyetylen a polypropylenu vyžaduje alkeny — uhlovodíky jako ethene a propen, také známý jako olefinů. Globální roční produkce ethenu a propenu přesahuje 200 milionů tun, což je asi 30 kilogramů pro každého člověka na planetě. Průmyslové oddělení ethene od ethanu obvykle spoléhá na high-tlak kryogenní destilace při nízkých teplotách od -160 °C. Čištění propenu a ethene sama o sobě představuje 0,3% globální spotřeby energie, což je zhruba ekvivalent Singapuru roční spotřeby energie.

stejně Jako u ropy, najít separační systémy, které nevyžadují změny z jedné fáze do druhé může snížit desetkrát energetické náročnosti procesu (energie použita, na jednotku objemu nebo hmotnosti výrobku), a kompenzovat emise uhlíku tím, že podobné amount5. Například se vyvíjejí porézní uhlíkové membrány, které mohou oddělit plynné alkeny a alkany (také nazývané parafiny)při pokojové teplotě a při mírných tlacích (méně než 10 bar) 6. Ty však zatím nemohou produkovat více než 99,9% čistých alkenů potřebných pro výrobu chemikálií.

v krátkodobém horizontu by mohly pomoci „hybridní“ separační techniky — membrány mohou být použity pro hromadnou separaci a kryogenní destilaci pro „leštění“ produktu. Takové přístupy by snížit energetickou náročnost z alken výrobní faktor 2 nebo 3, dokud membrány se dost dobrý, aby nahradit destilace úplně. Hlavní překážkou je rozšiřování membrán-průmysl může vyžadovat povrchové plochy až 1 milion metrů čtverečních. Nasazení v tomto měřítku bude vyžadovat nové výrobní metody i pokroky ve vlastnostech materiálů.

skleníkové plyny ze zředěných emisí. Antropogenní emise CO2 a dalších uhlovodíků, jako je metan uvolňovaný z rafinérií a vrtů, jsou klíčovými přispěvateli ke globální změně klimatu. Je nákladné a technicky obtížné zachytit tyto plyny ze zředěných zdrojů, jako jsou elektrárny, rafinérské výfuky a vzduch.

Tekutiny jako monoethanolaminu snadno reagují s CO2, ale proto, že teplo musí být použity k odstranění CO2 z výsledné kapaliny, proces není ekonomicky životaschopné pro elektrárny. Pokud by byl tento přístup aplikován na každou elektrárnu ve Spojených státech, zachycování CO2 by mohlo stát 30% růstu hrubého domácího produktu země7. Je třeba vyvinout levnější metody zachycování emisí CO2 a uhlovodíků s minimálními náklady na energii.

komplikujícím faktorem je rozhodování o tom, co dělat s vyčištěným produktem. CO2 by mohl být použit v metodě výroby ropy známé jako zvýšená rekuperace ropy nebo ve vertikálním zemědělství a jako chemické a biorefinizační suroviny. Ale lidské činnosti emitují tolik gas8, že v praxi moc to bude muset být dlouhodobě uloženy v podzemních nádrží, zvyšování dalších otázkách.

kovy vzácných zemin z rud. The 15 lanthanidové kovy, nebo prvky vzácných zemin, se používají v magnetech, v technologiích obnovitelné energie a jako katalyzátory při rafinaci ropy. Kompaktní zářivky používají například europium a terbium a katalytické konvertory se spoléhají na CER. Ekonomická produkce vzácných zemin je problémem oddělení, nikoli dostupnosti. Přes jejich jméno je většina prvků v zemské kůře mnohem hojnější než zlato, stříbro, platina a rtuť. Bohužel, vzácné zeminy se nacházejí ve stopových množstvích v rudách a jsou často smíchány dohromady, protože jsou chemicky podobné.

separace vzácných zemin od rud vyžaduje mechanické přístupy (jako je magnetická a elektrostatická separace) a chemické zpracování (jako je flotace pěny). Ty jsou neefektivní: musí se potýkat se složitým složením těžených rud, používat velké objemy chemikálií a produkovat velké množství odpadu a radioaktivních vedlejších produktů. Vylepšení jsou velmi potřebná.

recyklace vzácných zemin z vyřazených produktů se zvyšuje. Zakázkové procesy by mohly být navrženy, protože chemické a fyzikální složení produktů je dobře definováno. Byla prozkoumána řada metod metalurgické a plynné extrakce, ale recyklované vzácné zeminy ještě nejsou součástí většiny dodavatelských řetězců9, 10. Výzkum je nutný ke snížení ekologického dopadu klíčových položek obsahujících vzácné zeminy po celý jejich životní cyklus.

deriváty benzenu od sebe navzájem. Dodavatelské řetězce mnoha polymerů, plastů, vláken, rozpouštědel a palivových přísad závisí na benzenu, cyklickém uhlovodíku, jakož i na jeho derivátech, jako je toluen, ethylbenzen a izomery xylenu. Tyto molekuly jsou odděleny v destilačních kolonách, s kombinovanými globálními náklady na energii asi 50 GW, což stačí k napájení zhruba 40 milionů domácností.

izomery xylenu jsou molekuly s nepatrnými strukturálními rozdíly, které vedou k různým chemickým vlastnostem. Jeden izomer, para-xylen (nebo p-Xylen), je nejžádanější pro výrobu polymerů, jako je polyethylentereftalát (PET) a polyester; ve Spojených státech se každoročně vyrábí více než 8 kilogramů p-xylenu na obyvatele. Podobná velikost a body varu různých izomerů xylenu ztěžují jejich oddělení běžnými způsoby, jako je destilace.

pokroky v membránách nebo sorbentech by mohly snížit energetickou náročnost těchto procesů. Stejně jako u jiných chemických procesů v průmyslovém měřítku bude zavedení alternativních technologií pro oddělování derivátů benzenu vyžadovat, aby byla jejich životaschopnost prokázána v postupně větších měřítcích před komerčním provedením. Výstavba chemického závodu může stát 1 miliardu USD nebo více, takže investoři si chtějí být jisti, že technologie bude fungovat před budováním nové infrastruktury.

stopové kontaminanty z vody. Odsolování-ať už destilací nebo membránovou filtrací-je energeticky a kapitálově náročné, takže je v mnoha suchých oblastech neproveditelné. Destilace není odpověď: termodynamika definuje minimální množství energie potřebné k výrobě pitné vody z mořské vody a destilace používá 50krát více energie než tento základní limit.

Reverzní osmózy filtrace, proces, který se vztahuje tlaku přes membránu do slané vody k výrobě čisté vody, vyžaduje pouze 25% více energie, než termodynamické limit5. Membrány reverzní osmózy však zpracovávají vodu v omezených rychlostech, což vyžaduje velké, nákladné rostliny k vytvoření dostatečného toku. Reverzní osmóza mořské vody se již provádí v komerčních měřítcích na Středním východě a v Austrálii. Praktické obtíže při manipulaci s více znečištěnou vodou-včetně koroze — tvorby biofilmu, škálování a ukládání částic — však znamenají, že jsou také zapotřebí drahé systémy předúpravy.

Vývoj membrán, které jsou více produktivní a odolný vůči znečištění by snížit provozní a kapitálové náklady na odsolování systémů do té míry, že technika je komerčně životaschopné i pro vysoce znečištěné zdroje vody.

další kroky

akademičtí vědci a tvůrci politik by se měli zaměřit na následující otázky.

nejprve musí vědci a inženýři zvážit realistické chemické směsi. Většina akademických studií se zaměřuje na jednotlivé chemikálie a odvozuje chování směsí pomocí těchto informací. Tento přístup riskuje chybějící jevy, které se vyskytují pouze v chemických směsích, a ignoruje roli stopových kontaminantů. Akademici a představitelé v průmyslovém výzkumu a vývoje by měly vytvořit proxy směsi pro běžné separace, které zahrnují hlavní chemické složky a běžné nečistoty.

za druhé, ekonomie a udržitelnost jakékoli separační technologie musí být hodnocena v kontextu celého chemického procesu. Měly by být použity metriky výkonu, jako jsou náklady na kilogram produktu a spotřeba energie na kilogram. Je třeba zohlednit životnost a náklady na výměnu součástí, jako jsou membránové moduly nebo sorbentní materiály.

Zatřetí je třeba na počátku vývoje technologií vážně zvážit rozsah, v jakém je nasazení vyžadováno. Fyzická infrastruktura, jako jsou akademická a průmyslově provozovaná testovací lůžka, bude zapotřebí k tomu, aby se nové technologie z laboratoře dostaly do pilotních stupnic, aby bylo možné snížit jakékoli vnímané riziko. Řízení bude vyžadovat akademickou obec, vládní agentury a průmysloví partneři ke spolupráci.

Začtvrté, současné školení chemických inženýrů a chemiků v separacích často klade velký důraz na destilaci. Expozice další operace — jako je adsorpce, krystalizace a membrány — je rozhodující pro rozvoj pracovní síly, že je schopen realizovat celé spektrum technologií separace že budoucnost bude vyžadovat.