Die meisten Industriechemiker verbringen ihre Tage damit, die Bestandteile großer Mengen chemischer Gemische in reine oder reinere Formen zu trennen. Die beteiligten Prozesse, wie die Destillation, machen 10-15% des weltweiten Energieverbrauchs aus1, 2.Methoden zur Reinigung von Chemikalien, die energieeffizienter sind, könnten, wenn sie allein auf den US-amerikanischen Erdöl-, Chemie- und Papierherstellungssektor angewendet werden, 100 Millionen Tonnen Kohlendioxidemissionen und 4 Milliarden US-Dollar an Energiekosten einsparen 3 (siehe ‚Kosten senken‘). Mit anderen Methoden könnten neue Materialquellen erschlossen werden, indem beispielsweise Metalle aus Meerwasser gewonnen werden.Leider sind Alternativen zur Destillation, wie die Trennung von Molekülen nach ihren chemischen Eigenschaften oder ihrer Größe, unterentwickelt oder teuer in der Skalierung. Ingenieure in Industrie und Wissenschaft müssen bessere und billigere Membranen und andere Möglichkeiten zur Trennung von Chemikaliengemischen entwickeln, die nicht auf Wärme angewiesen sind.

Hier heben wir sieben chemische Trennverfahren hervor, die, wenn sie verbessert würden, große globale Vorteile bringen würden. Unsere Liste ist nicht erschöpfend; Fast alle kommerziellen Chemikalien entstehen aus einem Trennprozess, der verbessert werden könnte.

Sieben Trennungen

Kohlenwasserstoffe aus Rohöl. Die Hauptbestandteile für die Herstellung fossiler Brennstoffe, Kunststoffe und Polymere sind Kohlenwasserstoffe. Raffinerien auf der ganzen Welt verarbeiten täglich rund 90 Millionen Barrel Rohöl — rund 2 Liter für jeden Menschen auf dem Planeten. Die meisten tun dies mit atmosphärischer Destillation, die weltweit etwa 230 Gigawatt (GW) verbraucht3, was dem Gesamtenergieverbrauch des Vereinigten Königreichs im Jahr 2014 oder etwa der Hälfte des Energieverbrauchs von Texas entspricht. In einer typischen Raffinerie werden 200.000 Barrel Rohöl pro Tag in 50 Meter hohen Kolonnen erhitzt, um Tausende von Verbindungen entsprechend ihrem Siedepunkt freizusetzen. Leichte Gase treten an der kühlen Spitze aus (bei etwa 20 °C); zunehmend schwerere Flüssigkeiten treten an niedrigeren und heißeren Stellen aus (bis zu 400 ° C).

Es ist schwierig, eine Alternative zur Destillation zu finden, da Rohöl viele komplexe Moleküle enthält, einige mit hohen Viskositäten, und unzählige Verunreinigungen, einschließlich Schwefelverbindungen und Metalle wie Quecksilber und Nickel. Grundsätzlich ist es möglich, Kohlenwasserstoffe nach ihren molekularen Eigenschaften, wie chemische Affinität oder Molekülgröße, zu trennen. Membranbasierte oder andere nichtthermische Trennverfahren können um eine Größenordnung energieeffizienter sein als wärmegetriebene Trennverfahren, die Destillation verwenden. Aber es wurde wenig geforscht.

Forscher müssen Materialien finden, die in der Lage sind, viele Molekülfamilien gleichzeitig zu trennen, und die bei den hohen Temperaturen arbeiten, die erforderlich sind, um Schweröle fließen zu lassen, ohne durch Verunreinigungen blockiert zu werden.

Uran aus Meerwasser. Die Kernenergie wird für die zukünftige kohlenstoffarme Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung sein. Obwohl die Entwicklung der Nuklearindustrie ungewiss ist, können die bekannten geologischen Uranreserven (4,5 Millionen Tonnen) bei den derzeitigen Verbrauchsraten ein Jahrhundert dauern4. Mehr als 4 Milliarden Tonnen Uran existieren im Meerwasser in Teilen pro Milliarde.

Wissenschaftler suchen seit Jahrzehnten nach Wegen, Uran aus Meerwasser zu trennen4. Es gibt Materialien, die Uran einfangen können, wie poröse Polymere, die Amidoximgruppen enthalten. Aber diese molekularen ‚Käfige‘ fangen auch andere Metalle ein, einschließlich Vanadium, Kobalt und Nickel.

Chemiker müssen Verfahren entwickeln, um diese Metalle zu entfernen und gleichzeitig Uran aus dem Meerwasser zu reinigen und zu konzentrieren. In den Jahren 1999-2001 erbeuteten japanische Teams rund 350 Gramm Uran mit einem Adsorbensstoff4. Die Inbetriebnahme eines neuen Kernkraftwerks erfordert hunderte Tonnen Uranbrennstoff, daher müsste der Umfang dieser Prozesse erheblich erhöht werden. Insbesondere müssen Anstrengungen unternommen werden, um die Kosten für adsorbierende Materialien zu senken.Ähnliche Technologien könnten andere wertvolle Metalle einfangen4, wie Lithium, das in Batterien verwendet wird. Die in den Ozeanen gelöste Lithiummenge ist zehnmal größer als die in bekannten landbasierten Ressourcen; Die begrenzte Größe der letzteren kann zu einer langfristigen Barriere für die Energiespeicherung werden.

Alkene von Alkanen. Die Herstellung von Kunststoffen wie Polyethylen und Polypropylen erfordert Alkene – Kohlenwasserstoffe wie Ethen und Propen, auch bekannt als Olefine. Die weltweite Jahresproduktion von Ethen und Propen übersteigt 200 Millionen Tonnen, etwa 30 Kilogramm für jeden Menschen auf dem Planeten. Die industrielle Trennung von Ethen von Ethan beruht typischerweise auf einer kryogenen Hochdruckdestillation bei Temperaturen von bis zu -160 ° C. Die Reinigung von Propen und Ethen allein macht 0,3% des weltweiten Energieverbrauchs aus, was in etwa dem jährlichen Energieverbrauch Singapurs entspricht.

Wie bei Rohöl könnte die Suche nach Trennsystemen, die keinen Wechsel von einer Phase zur anderen erfordern, die Energieintensität des Prozesses (Energieverbrauch pro Volumeneinheit oder Gewicht des Produkts) um den Faktor zehn reduzieren und die Kohlenstoffemissionen um einen ähnlichen Betrag ausgleichen5. Zum Beispiel werden poröse Kohlenstoffmembranen entwickelt, die gasförmige Alkene und Alkane (auch Paraffine genannt) bei Raumtemperatur und bei milden Drücken (weniger als 10 bar) abtrennen können6. Diese können jedoch noch nicht die mehr als 99,9% reinen Alkene produzieren, die für die Herstellung von Chemikalien benötigt werden.Kurzfristig könnten ‚hybride‘ Trenntechniken helfen – Membranen können zur Massentrennung und kryogene Destillation zum ‚Polieren‘ des Produkts verwendet werden. Solche Ansätze würden die Energieintensität der Alkenproduktion um den Faktor 2 oder 3 reduzieren, bis Membranen gut genug sind, um die Destillation vollständig zu ersetzen. Eine große Hürde ist die Skalierung der Membranen — die Industrie benötigt möglicherweise Flächen von bis zu 1 Million Quadratmetern. Der Einsatz in dieser Größenordnung erfordert neue Fertigungsmethoden sowie Fortschritte bei den Materialeigenschaften.

Treibhausgase aus Treibhausgasemissionen. Anthropogene Emissionen von CO2 und anderen Kohlenwasserstoffen wie Methan, das aus Raffinerien und Bohrlöchern freigesetzt wird, tragen maßgeblich zum globalen Klimawandel bei. Es ist teuer und technisch schwierig, diese Gase aus verdünnten Quellen wie Kraftwerken, Raffinerieabgasen und Luft abzuscheiden.Flüssigkeiten wie Monoethanolamin reagieren leicht mit CO2, aber da Wärme angewendet werden muss, um CO2 aus der resultierenden Flüssigkeit zu entfernen, ist das Verfahren für Kraftwerke nicht wirtschaftlich. Wenn der Ansatz auf jedes Kraftwerk in den Vereinigten Staaten angewendet würde, könnte die CO2-Abscheidung jedes Jahr 30% des Bruttoinlandsproduktwachstums des Landes kosten7. Es müssen billigere Methoden zur Abscheidung von CO2- und Kohlenwasserstoffemissionen mit minimalen Energiekosten entwickelt werden.

Ein komplizierender Faktor ist die Entscheidung, was mit dem gereinigten Produkt zu tun ist. CO2 könnte in einer Rohölproduktionsmethode verwendet werden, die als verbesserte Ölrückgewinnung bekannt ist, oder in der vertikalen Landwirtschaft und als chemische und Bioraffinerie-Rohstoffe. Aber menschliche Aktivitäten emittieren so viel von dem Gas8, dass in der Praxis ein Großteil davon langfristig in unterirdischen Reservoirs gespeichert werden muss, was andere Probleme aufwirft.

Seltenerdmetalle aus Erzen. Die 15 Lanthanidmetalle oder Seltenerdelemente werden in Magneten, in Technologien für erneuerbare Energien und als Katalysatoren in der Erdölraffination verwendet. Kompaktleuchtstofflampen verwenden beispielsweise Europium und Terbium, Katalysatoren setzen auf Cer. Die wirtschaftliche Herstellung von Seltenen Erden ist ein Problem der Trennung, nicht der Verfügbarkeit. Trotz ihres Namens sind die meisten Elemente in der Erdkruste viel häufiger als Gold, Silber, Platin und Quecksilber. Leider kommen Seltene Erden in Spuren in Erzen vor und werden oft miteinander vermischt, weil sie chemisch ähnlich sind.

Die Trennung von Seltenen Erden aus Erzen erfordert mechanische Ansätze (wie magnetische und elektrostatische Trennung) und chemische Verarbeitung (wie Schaumflotation). Diese sind ineffizient: Sie müssen sich mit der komplexen Zusammensetzung der abgebauten Erze auseinandersetzen, große Mengen an Chemikalien verwenden und viele Abfälle und radioaktive Nebenprodukte produzieren. Verbesserungen sind dringend erforderlich.

Das Recycling von Seltenen Erden aus weggeworfenen Produkten nimmt zu. Maßgeschneiderte Prozesse könnten entworfen werden, da die chemischen und physikalischen Zusammensetzungen der Produkte gut definiert sind. Eine Vielzahl von metallurgischen und Gasphasenextraktionsmethoden wurde untersucht, aber recycelte Seltene Erden sind noch nicht Teil der meisten Lieferketten9, 10. Forschung ist erforderlich, um die ökologischen Auswirkungen von Schlüsselprodukten, die seltene Erden enthalten, über ihren gesamten Lebenszyklus zu reduzieren.

Benzolderivate voneinander. Die Lieferketten vieler Polymere, Kunststoffe, Fasern, Lösungsmittel und Kraftstoffadditive hängen von Benzol, einem cyclischen Kohlenwasserstoff, sowie von seinen Derivaten wie Toluol, Ethylbenzol und den Xylolisomeren ab. Diese Moleküle werden in Destillationskolonnen getrennt, mit kombinierten globalen Energiekosten von etwa 50 GW, genug, um rund 40 Millionen Haushalte mit Strom zu versorgen.

Die Isomere von Xylol sind Moleküle mit geringen strukturellen Unterschieden voneinander, die zu unterschiedlichen chemischen Eigenschaften führen. Ein Isomer, Para-Xylol (oder p-Xylol), ist am wünschenswertesten für die Herstellung von Polymeren wie Polyethylenterephthalat (PET) und Polyester; Mehr als 8 Kilogramm p-Xylol werden pro Kopf jedes Jahr in den Vereinigten Staaten produziert. Aufgrund der ähnlichen Größe und des ähnlichen Siedepunkts der verschiedenen Xylolisomeren lassen sie sich mit herkömmlichen Methoden wie der Destillation nur schwer trennen.Fortschritte bei Membranen oder Sorptionsmitteln könnten die Energieintensität dieser Prozesse verringern. Wie bei anderen chemischen Prozessen im industriellen Maßstab erfordert die Implementierung alternativer Technologien zur Trennung von Benzolderivaten, dass ihre Lebensfähigkeit vor der kommerziellen Implementierung in immer größeren Maßstäben nachgewiesen wird. Der Bau einer Chemiefabrik kann 1 Milliarde US-Dollar oder mehr kosten, daher möchten Investoren sicher sein, dass eine Technologie funktioniert, bevor sie eine neue Infrastruktur aufbauen.

Spuren von Verunreinigungen aus Wasser. Die Entsalzung – ob durch Destillation oder Membranfiltration — ist energie- und kapitalintensiv und daher in vielen trockenen Gebieten nicht durchführbar. Die Destillation ist nicht die Antwort: Die Thermodynamik definiert die minimale Energiemenge, die zur Erzeugung von Trinkwasser aus Meerwasser benötigt wird, und die Destillation verbraucht 50-mal mehr Energie als diese grundlegende Grenze.

Die Umkehrosmose-Filtration, ein Prozess, bei dem Salzwasser über eine Membran unter Druck gesetzt wird, um reines Wasser zu erzeugen, benötigt nur 25% mehr Energie als die thermodynamische Grenzwerte5. Aber Umkehrosmose-Membranen verarbeiten Wasser mit begrenzten Raten und erfordern große, kostspielige Anlagen, um einen ausreichenden Durchfluss zu erzeugen. Die Umkehrosmose von Meerwasser wird bereits im kommerziellen Maßstab im Nahen Osten und in Australien durchgeführt. Die praktischen Schwierigkeiten beim Umgang mit stärker verschmutztem Wasser – einschließlich Korrosion, Biofilmbildung, Ablagerung und Partikelablagerung — erfordern jedoch auch teure Vorbehandlungssysteme.Die Entwicklung von Membranen, die produktiver und widerstandsfähiger gegen Verschmutzung sind, würde die Betriebs- und Kapitalkosten von Entsalzungssystemen so weit senken, dass die Technik selbst für stark verschmutzte Wasserquellen kommerziell rentabel ist.

Nächste Schritte

Akademische Forscher und politische Entscheidungsträger sollten sich auf die folgenden Themen konzentrieren.

Zunächst müssen Forscher und Ingenieure realistische chemische Gemische berücksichtigen. Die meisten wissenschaftlichen Studien konzentrieren sich auf einzelne Chemikalien und schließen aus diesen Informationen auf das Verhalten von Gemischen. Dieser Ansatz riskiert fehlende Phänomene, die nur in chemischen Mischungen auftreten, und ignoriert die Rolle von Spurenstoffen. Akademiker und Führungskräfte in der industriellen Forschung und Entwicklung sollten Proxy-Mischungen für gemeinsame Trennungen festlegen, die die wichtigsten chemischen Komponenten und häufige Verunreinigungen enthalten.Zweitens müssen die Wirtschaftlichkeit und Nachhaltigkeit jeder Trenntechnologie im Kontext eines gesamten chemischen Prozesses bewertet werden. Leistungsmetriken wie Kosten pro Kilogramm Produkt und Energieverbrauch pro Kilogramm sollten verwendet werden. Die Lebensdauer und die Wiederbeschaffungskosten von Komponenten wie Membranmodulen oder Sorbensmaterialien müssen berücksichtigt werden.Drittens muss zu Beginn der Technologieentwicklung ernsthaft überlegt werden, in welchem Umfang die Bereitstellung erforderlich ist. Physische Infrastruktur wie akademische und industriell betriebene Prüfstände werden benötigt, um neue Technologien vom Labor in den Pilotmaßstab zu bringen, damit das wahrgenommene Risiko verringert werden kann. Um dies zu bewältigen, müssen Hochschulen, Regierungsbehörden und Industriepartner zusammenarbeiten.Viertens legt die derzeitige Ausbildung von Chemieingenieuren und Chemikern in Trennverfahren häufig großen Wert auf die Destillation. Die Exposition gegenüber anderen Operationen — wie Adsorption, Kristallisation und Membranen – ist entscheidend für die Entwicklung einer Belegschaft, die in der Lage ist, das gesamte Spektrum der Separationstechnologien zu implementieren, die die Zukunft erfordern wird.