de fleste industrielle kemikere bruger deres dage til at adskille komponenterne i store mængder kemiske blandinger i rene eller renere former. De involverede processer, såsom destillation, tegner sig for 10-15% af verdens energiforbrug1, 2.

metoder til rensning af kemikalier, der er mere energieffektive, kan, hvis de anvendes til den amerikanske olie -, kemikalie-og papirproduktionssektor alene, spare 100 millioner tons kulstofemissioner og 4 milliarder dollars i energiomkostninger årligt3 (se ‘skære omkostninger’). Andre metoder ville gøre det muligt at udnytte nye kilder til materialer ved f.eks. at udvinde metaller fra havvand.

desværre er alternativer til destillation, såsom adskillelse af molekyler i henhold til deres kemiske egenskaber eller størrelse, underudviklede eller dyre at skalere op. Ingeniører i industri og akademi skal udvikle bedre og billigere membraner og andre måder at adskille blandinger af kemikalier, der ikke er afhængige af varme.

Her fremhæver vi syv kemiske separationsprocesser, der, hvis de forbedres, ville høste store globale fordele. Vores liste er ikke udtømmende; næsten alle kommercielle kemikalier stammer fra en separationsproces, der kunne forbedres.

syv separationer

carbonhydrider fra råolie. De vigtigste ingredienser til fremstilling af fossile brændstoffer, plast og polymerer er kulbrinter. Hver dag behandler raffinaderier rundt om i verden omkring 90 millioner tønder råolie — cirka 2 liter for hver person på planeten. De fleste gør det ved hjælp af atmosfærisk destillation, der forbruger omkring 230 gigavatter3, svarende til det samlede energiforbrug i Det Forenede Kongerige i 2014 eller ca.halvdelen af Det Forenede Kongeriges. I et typisk raffinaderi opvarmes 200.000 tønder om dagen råolie i 50 meter høje søjler for at frigøre tusinder af forbindelser i henhold til deres kogepunkter. Lette gasser dukker op på den kølige top (ved omkring 20 liter C); gradvis tungere væsker forlader ved lavere og varmere punkter (op til 400 liter C).

det er vanskeligt at finde et alternativ til destillation, fordi råolie indeholder mange komplekse molekyler, nogle med høje viskositeter og utallige forurenende stoffer, herunder svovlforbindelser og metaller såsom kviksølv og nikkel. Det er i princippet muligt at adskille carbonhydrider i henhold til deres molekylære egenskaber, såsom kemisk affinitet eller molekylær størrelse. Membranbaserede separationsmetoder eller andre ikke-termiske metoder kan være en størrelsesorden mere energieffektiv end varmedrevne separationer, der bruger destillation. Men lidt forskning er blevet gjort.

forskere skal finde materialer, der er i stand til at adskille mange familier af molekyler på samme tid, og som arbejder ved de høje temperaturer, der er nødvendige for at holde tunge olier flydende uden at blive blokeret af forurenende stoffer.

uran fra havvand. Atomkraft vil være afgørende for fremtidig produktion af kulstoffattig energi. Selvom atomindustriens bane er usikker, kan kendte geologiske reserver af uran (4,5 millioner tons) ved nuværende forbrugshastigheder vare et århundrede4. Mere end 4 milliarder tons uran findes i havvand på Del-per-milliard niveauer.

forskere har søgt måder at adskille uran fra havvand4 i årtier. Der er materialer, der er i stand til at fange uran, såsom porøse polymerer indeholdende amidoksim grupper. Men disse molekylære ‘bure’ fanger også andre metaller, herunder vanadium, kobolt og nikkel.

kemikere skal udvikle processer til at fjerne disse metaller, mens de renser og koncentrerer uran fra havvand. I 1999-2001 fangede japanske hold omkring 350 gram uran ved hjælp af et adsorbentstof4. Opstart af et nyt atomkraftværk kræver hundreder af tons uranbrændstof, så omfanget af disse processer skal øges kraftigt. Især er der behov for bestræbelser på at reducere omkostningerne til adsorbentmaterialer.

lignende teknologier kunne fange andre værdifulde metaller4, såsom lithium, som bruges i batterier. Mængden af lithium opløst i oceanerne er ti gange større end i kendte landbaserede ressourcer; den begrænsede størrelse af sidstnævnte kan blive en langsigtet barriere for energilagring.

alkener fra alkaner. Fremstilling af plast såsom polyethen og polypropen kræver alkener-carbonhydrider såsom ethen og propen, også kendt som olefiner. Den globale årlige produktion af ethen og propen overstiger 200 millioner tons, omkring 30 kg for hver person på planeten. Den industrielle adskillelse af ethen fra ethan er typisk afhængig af højtrykskryogen destillation ved temperaturer så lave som -160 liter C. oprensning af propen og ethen alene tegner sig for 0,3% af det globale energiforbrug, omtrent svarende til Singapores årlige energiforbrug.

Som med råolie kan det at finde separationssystemer, der ikke kræver ændringer fra en fase til en anden, reducere procesens energiintensitet med en faktor på ti (energi anvendt pr.volumen eller vægt af produkt) og udligne kulstofemissioner med et lignende beløb5. For eksempel udvikles porøse carbonmembraner, der kan adskille gasformige alkener og alkaner (også kaldet paraffiner) ved stuetemperatur og ved mildt tryk (mindre end 10 bar)6. Men disse kan endnu ikke producere de mere end 99,9% rene alkener, der er nødvendige til fremstilling af kemikalier.

på kort sigt kan ‘hybrid’ separationsteknikker hjælpe — membraner kan bruges til bulkseparation og kryogen destillation til ‘polering’ af produktet. Sådanne tilgange ville reducere energiintensiteten af Alken produktion med en faktor på 2 eller 3, indtil membraner bliver gode nok til at erstatte destillation helt. En stor hindring er opskalering af membranerne-industrien kan kræve overfladearealer på op til 1 million kvadratmeter. Implementering på denne skala vil kræve nye fremstillingsmetoder samt fremskridt i materialernes egenskaber.

drivhusgasser fra fortyndede emissioner. Menneskeskabte emissioner af CO2 og andre kulbrinter, såsom metan frigivet fra raffinaderier og brønde, er vigtige bidragydere til globale klimaændringer. Det er dyrt og teknisk vanskeligt at fange disse gasser fra fortyndede kilder som kraftværker, raffinaderiudstødninger og luft.

væsker såsom monoethanolamin reagerer let med CO2, men fordi der skal påføres varme for at fjerne CO2 fra den resulterende væske, er processen ikke økonomisk levedygtig for kraftværker. Hvis tilgangen blev anvendt på hvert kraftværk i USA, kunne CO2-opsamling koste 30% af landets vækst i bruttonationalprodukt hvert år7. Billigere metoder til opsamling af CO2-og kulbrinteemissioner med minimale energikostnader skal udvikles.

en komplicerende faktor er at beslutte, hvad man skal gøre med det rensede produkt. CO2 kunne bruges i en råolieproduktionsmetode kendt som forbedret oliegenvinding eller i lodret landbrug og som kemiske og bioraffinaderiråvarer. Men menneskelige aktiviteter udsender så meget af gasen8, at meget af det i praksis skal opbevares på lang sigt i underjordiske reservoirer, hvilket rejser andre problemer.

sjældne jordarters metaller fra malm. De 15 lanthanidmetaller, eller sjældne jordarter, anvendes i magneter, i vedvarende energiteknologier og som katalysatorer i olieraffinering. Kompakte lysstofrør bruger for eksempel europium og terbium, og katalysatorer er afhængige af cerium. At producere sjældne jordarter økonomisk er et problem med adskillelse, ikke tilgængelighed. På trods af deres navn er de fleste af elementerne meget mere rigelige i jordskorpen end guld, sølv, platin og kviksølv. Desværre findes sjældne jordarter i spormængder i malm og blandes ofte sammen, fordi de er kemisk ens.

adskillelse af sjældne jordarter fra malm kræver mekaniske tilgange (såsom magnetisk og elektrostatisk adskillelse) og kemisk behandling (såsom skumflotation). Disse er ineffektive: de skal kæmpe med de komplekse sammensætninger af minerede malme, bruge store mængder kemikalier og producere masser af affald og radioaktive biprodukter. Der er hårdt brug for forbedringer.

genanvendelsen af sjældne jordarter fra kasserede produkter er stigende. Skræddersyede processer kunne designes, fordi de kemiske og fysiske sammensætninger af produkterne er veldefinerede. En række metallurgiske og gasfaseudvindingsmetoder er blevet undersøgt, men Genanvendte sjældne jordarter er endnu ikke en del af de fleste forsyningskæder9, 10. Forskning er nødvendig for at reducere den økologiske virkning af nøgleelementer, der indeholder sjældne jordarter i hele deres livscyklus.

bensenderivater fra hinanden. Forsyningskæderne for mange polymerer, plast, fibre, opløsningsmidler og brændstofadditiver er afhængige af et cyklisk carbonhydrid, såvel som af dets derivater, såsom toluen, ethylbencen og isomerer. Disse molekyler er adskilt i destillationskolonner, med samlede globale energikostnader på omkring 50 GV, nok til at drive omkring 40 millioner hjem.isomerer er molekyler med små strukturelle forskelle fra hinanden, der fører til forskellige kemiske egenskaber. En isomer er mest ønskelig til fremstilling af polymerer, såsom polyethylenterephthalat (PET) og polyester; mere end 8 kg p-kylen produceres pr.indbygger hvert år i USA. De tilsvarende størrelse og kogepunkter for de forskellige isomerer gør dem vanskelige at adskille ved konventionelle metoder, såsom destillation.fremskridt i membraner eller sorbenter kan reducere energiintensiteten af disse processer. Hvad angår andre kemiske processer i industriel skala, vil implementering af alternative teknologier til adskillelse af derivater kræve, at deres levedygtighed bevises på successivt større skalaer inden kommerciel implementering. Opførelse af et kemisk anlæg kan koste 1 milliard dollars eller mere, så investorer vil være sikre på, at en teknologi vil fungere, før de bygger ny infrastruktur.

spor forurenende stoffer fra vand. Afsaltning — hvad enten det er gennem destillation eller membranfiltrering-er energi-og kapitalintensiv, hvilket gør det umuligt i mange tørre områder. Destillation er ikke svaret: termodynamik definerer den mindste mængde energi, der er nødvendig for at generere drikkevand fra havvand, og destillation bruger 50 gange mere energi end denne grundlæggende grænse.omvendt osmosefiltrering, en proces, der anvender tryk over en membran til saltvand for at producere rent vand, kræver kun 25% mere energi end den termodynamiske grænse5. Men omvendt osmosemembraner behandler vand med begrænsede hastigheder, hvilket kræver store, dyre planter for at producere en tilstrækkelig strømning. Omvendt osmose af havvand er allerede gjort på kommercielle skalaer i Mellemøsten og Australien. Men de praktiske vanskeligheder ved håndtering af mere forurenet vand-herunder korrosion, dannelse af biofilm, skalering og partikelaflejring — betyder, at der også er behov for dyre forbehandlingssystemer.udvikling af membraner, der er mere produktive og modstandsdygtige over for begroning, vil nedbringe drifts-og kapitalomkostningerne ved afsaltningssystemer til det punkt, at teknikken er kommercielt levedygtig for selv stærkt forurenede vandkilder.

næste trin

akademiske forskere og politikere bør fokusere på følgende spørgsmål.

for det første skal forskere og ingeniører overveje realistiske kemiske blandinger. De fleste akademiske studier fokuserer på enkeltkemikalier og udleder adfærd af blandinger ved hjælp af disse oplysninger. Denne tilgang risikerer manglende fænomener, der kun forekommer i kemiske blandinger, og ignorerer sporforureningens rolle. Akademikere og ledere inden for industriel forskning og udvikling bør etablere fuldmægtige blandinger til fælles separationer, der omfatter de vigtigste kemiske komponenter og fælles forurenende stoffer.

for det andet skal økonomien og bæredygtigheden af enhver separationsteknologi evalueres i sammenhæng med en hel kemisk proces. Der bør anvendes præstationsmålinger som f.eks. omkostninger pr. kg produkt og energiforbrug pr. kg. Levetid og udskiftningsomkostninger for komponenter såsom membranmoduler eller sorbentmaterialer skal indregnes.

for det tredje skal der tidligt i den teknologiske udvikling tages alvorligt hensyn til den skala, hvor implementering er påkrævet. Fysisk infrastruktur såsom akademiske og industrielt drevne testsenge er nødvendig for at tage nye teknologier fra laboratoriet til pilotskalaer, så enhver opfattet risiko kan reduceres. Håndtering af dette vil kræve, at Akademia, regeringsorganer og industripartnere samarbejder.

for det fjerde lægger den nuværende uddannelse af kemiske ingeniører og kemikere i separationer ofte stor vægt på destillation. Eksponering for andre operationer — såsom adsorption, krystallisering og membraner-er afgørende for at udvikle en arbejdsstyrke, der er i stand til at implementere det fulde spektrum af adskillelsesteknologier, som fremtiden vil kræve.