useimmat teollisuuskemistit käyttävät päivänsä erottelemalla suurten kemiallisten seosten aineosia puhtaisiin tai puhtaampiin muotoihin. Siihen liittyvät prosessit, kuten tislaus, muodostavat 10-15 prosenttia maailman energiankulutuksesta1, 2.

energiatehokkaampien kemikaalien puhdistusmenetelmät voisivat säästää 100 miljoonaa tonnia hiilidioksidipäästöjä ja 4 miljardia yhdysvaltain dollaria energiakustannuksissa3, jos niitä sovellettaisiin pelkästään Yhdysvaltain öljy -, kemian-ja paperiteollisuuden aloihin. Muilla menetelmillä voitaisiin hyödyntää uusia materiaalilähteitä esimerkiksi uuttamalla metalleja merivedestä.

valitettavasti tislauksen vaihtoehdot, kuten molekyylien erottaminen niiden kemiallisten ominaisuuksien tai koon mukaan, ovat alikehittyneitä tai kalliita skaalata. Teollisuuden ja korkeakoulujen insinöörien on kehitettävä parempia ja halvempia kalvoja ja muita tapoja erotella kemikaaliseoksia, jotka eivät ole riippuvaisia lämmöstä.

tässä korostamme seitsemää kemiallista erotusprosessia, jotka parantuessaan saisivat suurta maailmanlaajuista hyötyä. Luettelomme ei ole tyhjentävä, vaan lähes kaikki kaupalliset kemikaalit syntyvät erotusprosessista, jota voitaisiin parantaa.

seitsemän separaatiota

hiilivedyt raakaöljystä. Tärkeimmät raaka-aineet fossiilisten polttoaineiden, muovien ja polymeerien valmistuksessa ovat hiilivedyt. Jalostamot ympäri maailmaa käsittelevät päivittäin noin 90 miljoonaa barrelia raakaöljyä-noin 2 litraa jokaista maapallon ihmistä kohti. Useimmat käyttävät atmosfääristä tislausta, joka kuluttaa noin 230 gigawattia (GW) globaalisesti3, mikä vastaa Yhdistyneen kuningaskunnan kokonaisenergiankulutusta vuonna 2014 eli noin puolta Texasin energiankulutuksesta. Tyypillisessä jalostamossa raakaöljyä kuumennetaan 200 000 barrelia päivässä 50 metriä korkeissa kolonneissa, jolloin siitä vapautuu tuhansia yhdisteitä niiden kiehumispisteiden mukaan. Viileään yläosaan (noin 20 °C)syntyy kevyitä kaasuja; asteittain raskaammat nesteet lähtevät alemmista ja kuumemmista kohdista (jopa 400 °C).

vaihtoehdon löytäminen tislaukselle on vaikeaa, koska raakaöljy sisältää monia monimutkaisia molekyylejä, joista joissakin on korkea viskositeetti, ja lukemattomia epäpuhtauksia, kuten rikkiyhdisteitä ja metalleja, kuten elohopeaa ja nikkeliä. Hiilivedyt on periaatteessa mahdollista erottaa toisistaan niiden molekyyliominaisuuksien, kuten kemiallisen affiniteetin tai molekyylikoon mukaan. Kalvopohjaiset erotusmenetelmät tai muut ei-lämpöiset erotusmenetelmät voivat olla suuruusluokkaa energiatehokkaampia kuin lämpökäyttöiset erotusmenetelmät, joissa käytetään tislausta. Asiaa on kuitenkin tutkittu vähän.

tutkijoiden on löydettävä materiaaleja, jotka pystyvät erottamaan monia molekyyliperheitä samanaikaisesti ja jotka toimivat korkeissa lämpötiloissa, joita tarvitaan pitämään raskasöljyt virtaamassa ilman, että epäpuhtaudet estävät niitä.

uraani merivedestä. Ydinvoimalla on ratkaiseva merkitys tulevaisuuden vähähiilisen energiantuotannon kannalta. Vaikka ydinteollisuuden kehityskulku on epävarma, nykyisillä kulutusvauhdeilla tunnetut uraanin Geologiset varannot (4,5 miljoonaa tonnia) voivat kestää century4. Yli 4 miljardia tonnia uraania on merivedessä osa-miljarditasolla.

tutkijat ovat etsineet vuosikymmeniä keinoja uraanin erottamiseksi merivedestä4. On olemassa uraanin talteenottoon kykeneviä materiaaleja, kuten amidoksiimiryhmiä sisältäviä huokoisia polymeerejä. Mutta nämä molekulaariset ”häkit” sieppaavat myös muita metalleja, kuten vanadiinia, kobolttia ja nikkeliä.

kemistien on kehitettävä prosesseja, joilla nämä metallit poistetaan samalla kun uraania puhdistetaan ja väkevöidään merivedestä. Vuosina 1999-2001 japanilaiset tallettivat noin 350 grammaa uraania adsorbenttikankaalla 4. Uuden ydinvoimalan käynnistäminen vaatii satoja tonneja uraanipolttoainetta, joten näiden prosessien mittakaavaa olisi lisättävä huomattavasti. Erityisesti on pyrittävä vähentämään adsorbenttimateriaalien kustannuksia.

vastaavilla tekniikoilla voitaisiin kaapata muitakin arvokkaita metaleita4, kuten litiumia, jota käytetään akuissa. Valtameriin liuenneen litiumin määrä on kymmenen kertaa suurempi kuin tunnetuissa maalla sijaitsevissa luonnonvaroissa; viimeksi mainitun Vähäinen koko voi muodostua pitkäaikaiseksi esteeksi energian varastoinnille.

Alkeenit alkaaneista. Muovien kuten polyeteenin ja polypropeenin valmistus vaatii alkeeneja — hiilivetyjä kuten eteeniä ja propeenia, joita kutsutaan myös olefiineiksi. Eteenin ja propeenin maailmanlaajuinen vuosituotanto ylittää 200 miljoonaa tonnia, noin 30 kiloa jokaista maapallon ihmistä kohti. Eteenin teollinen erottaminen etaanista perustuu tyypillisesti korkeapaineiseen kryogeeniseen tislaukseen niinkin alhaisissa lämpötiloissa kuin -160 °C. pelkästään propeenin ja eteenin Puhdistus muodostaa 0,3% maailman energiankulutuksesta, mikä vastaa suunnilleen Singaporen vuotuista energiankulutusta.

kuten raakaöljylläkin, sellaisten erotusjärjestelmien löytäminen, jotka eivät vaadi muutoksia vaiheesta toiseen, voisi vähentää kymmenellä kertoimella prosessin energiaintensiteettiä (käytetty energia tilavuusyksikköä tai tuotteen painoa kohti) ja kompensoida hiilipäästöjä vastaavalla määrällä5. Kehitteillä on esimerkiksi huokoisia hiilikalvoja, jotka pystyvät erottamaan kaasumaiset alkeenit ja alkaanit (joita kutsutaan myös parafiineiksi) huoneenlämmössä ja lievässä paineessa (alle 10 bar)6. Nämä eivät kuitenkaan vielä pysty tuottamaan kemikaalien valmistukseen tarvittavia yli 99,9-prosenttisia puhtaita alkeeneja.

lyhyellä aikavälillä ”hybridierotustekniikat” saattavat auttaa — kalvoja voidaan käyttää irtotavarana erotteluun ja kryogeenistä tislausta tuotteen ”kiillottamiseen”. Tällaiset lähestymistavat vähentäisivät alkeenin tuotannon energiaintensiteettiä kertoimella 2 tai 3, kunnes kalvot tulevat tarpeeksi hyviksi korvaamaan tislauksen kokonaan. Suuri este on kalvojen laajentaminen-teollisuus saattaa vaatia jopa miljoonan neliömetrin pinta-alaa. Tämän mittakaavan käyttöönotto edellyttää uusia valmistusmenetelmiä sekä materiaalien ominaisuuksien kehitystä.

laimennetuista päästöistä syntyvät kasvihuonekaasut. Ihmisen toiminnan aiheuttamat hiilidioksidipäästöt ja muut hiilivedyt, kuten jalostamoista ja kaivoista vapautuva metaani, ovat keskeisiä tekijöitä maailmanlaajuisessa ilmastonmuutoksessa. Näiden kaasujen talteenotto laimeista lähteistä, kuten voimalaitoksista, jalostamojen pakoputkista ja ilmasta on kallista ja teknisesti vaikeaa.

nesteet, kuten monoetanoliamiini, reagoivat helposti CO2: n kanssa, mutta koska syntyvästä nesteestä on käytettävä lämpöä hiilidioksidin poistamiseksi, prosessi ei ole taloudellisesti kannattava voimalaitoksille. Jos lähestymistapaa sovellettaisiin kaikkiin Yhdysvaltain voimaloihin, CO2: n talteenotto voisi maksaa 30 prosenttia maan bruttokansantuotteen kasvusta7 vuosittain. On kehitettävä halvempia menetelmiä CO2-ja hiilivetypäästöjen hyödyntämiseksi mahdollisimman vähäisin energiakustannuksin.

monimutkaistava tekijä on päättää, mitä puhdistetulle tuotteelle tehdään. CO2: ta voitaisiin käyttää raakaöljyn tuotantomenetelmässä, jota kutsutaan tehostetuksi öljyn talteenotoksi, tai vertikaaliviljelyssä sekä kemian-ja biojalostamojen raaka-aineina. Ihmisen toiminta tuottaa kuitenkin niin suuren osan kaasusta8, että käytännössä suuri osa kaasusta on varastoitava pitkäjänteisesti maanalaisiin altaisiin, mikä nostaa esiin muita kysymyksiä.

harvinaiset maametallit malmeista. 15 lantanidimetallia eli harvinaista maametallia käytetään magneeteissa, uusiutuvan energian tekniikoissa ja katalyytteinä öljynjalostuksessa. Pienloistelampuissa käytetään esimerkiksi europiumia ja terbiumia, ja katalysaattorit tukeutuvat ceriumiin. Harvinaisten maametallien tuottaminen taloudellisesti on erottelun, ei saatavuuden ongelma. Nimestään huolimatta useimmat alkuaineet ovat maankuoressa paljon runsaampia kuin kulta, hopea, platina ja elohopea. Valitettavasti harvinaisia maametalleja löytyy pieniä määriä malmeista ja ne sekoitetaan usein keskenään, koska ne ovat kemiallisesti samanlaisia.

harvinaisten maametallien erottaminen malmeista edellyttää mekaanista lähestymistä (kuten magneettista ja sähköstaattista erottelua) ja kemiallista käsittelyä (kuten vaahdon vaahdottamista). Ne ovat tehottomia: niiden on taisteltava louhittujen malmien monimutkaisia koostumuksia vastaan, käytettävä suuria määriä kemikaaleja ja tuotettava paljon jätettä ja radioaktiivisia sivutuotteita. Parannuksia tarvitaan kipeästi.

harvinaisten maametallien kierrätys poisheitetyistä tuotteista lisääntyy. Mittatilaustyönä tehdyt prosessit voitaisiin suunnitella, koska tuotteiden kemialliset ja fysikaaliset koostumukset ovat hyvin määriteltyjä. Erilaisia metallurgisia ja kaasufaasien uuttamismenetelmiä on tutkittu, mutta Kierrätetyt harvinaiset maametallit eivät vielä kuulu useimpiin toimitusketjuihin9, 10. Tarvitaan tutkimusta, jotta voidaan vähentää harvinaisia maametalleja sisältävien avainkohteiden ekologisia vaikutuksia niiden koko elinkaaren ajalta.

Bentseenijohdannaiset toisistaan. Monien polymeerien, muovien, kuitujen, liuottimien ja polttoaineiden lisäaineiden toimitusketjut riippuvat bentseenistä, joka on syklinen hiilivety, sekä sen johdannaisista kuten tolueenista, etyylibentseenistä ja ksyleenin isomeereistä. Nämä molekyylit erotetaan toisistaan tislauskolonneissa, joiden yhteenlasketut globaalit energiakustannukset ovat noin 50 GW, mikä riittää noin 40 miljoonan kodin energiantuotantoon.

ksyleenin isomeerit ovat molekyylejä, joilla on pieniä rakenteellisia eroja toisistaan, jotka johtavat erilaisiin kemiallisiin ominaisuuksiin. Yksi isomeeri, para-ksyleeni (tai p-ksyleeni), on suotavinta valmistaa polymeerejä, kuten polyeteenitereftalaattia (PET) ja polyesteriä; Yhdysvalloissa tuotetaan vuosittain yli 8 kiloa P-ksyleeniä asukasta kohti. Eri ksyleeni-isomeerien samanlainen koko ja kiehumispisteet vaikeuttavat niiden erottamista tavanomaisilla menetelmillä, kuten tislaamalla.

kalvojen tai sorbenttien kehittyminen voi vähentää näiden prosessien energiaintensiteettiä. Kuten muissakin teollisen mittakaavan kemiallisissa prosesseissa, vaihtoehtoisten teknologioiden käyttöönotto bentseenijohdannaisten erottamiseksi edellyttää, että niiden elinkelpoisuus todistetaan jatkuvasti suuremmissa mittakaavoissa ennen kaupallista käyttöönottoa. Kemiantehtaan rakentaminen voi maksaa vähintään miljardi Yhdysvaltain dollaria, joten sijoittajat haluavat olla varmoja siitä, että teknologia toimii ennen uuden infrastruktuurin rakentamista.

veden epäpuhtaudet. Suolanpoisto — joko tislaamalla tai kalvosuodatuksella — on energia-ja pääomaintensiivistä, minkä vuoksi sitä ei voida toteuttaa monilla kuivilla alueilla. Tislaus ei ole ratkaisu: termodynamiikka määrittelee vähimmäisenergiamäärän, joka tarvitaan juomaveden tuottamiseen merivedestä, ja tislaus käyttää 50 kertaa enemmän energiaa kuin tämä perusraja.

Käänteisosmoosisuodatus, prosessi, jossa suolaiseen veteen kohdistetaan painetta kalvon poikki puhtaan veden tuottamiseksi, vaatii vain 25% enemmän energiaa kuin termodynaaminen raja-arvo5. Mutta käänteisosmoosikalvot käsittelevät vettä rajoitetusti, mikä vaatii suuria, kalliita kasveja tuottamaan riittävän virtauksen. Meriveden Käänteisosmoosia tehdään jo kaupallisilla mittakaavoilla Lähi-idässä ja Australiassa. Saastuneemman veden käsittelyyn liittyvät käytännön vaikeudet-kuten korroosio, biofilmien muodostuminen, skaalaus ja hiukkaspäästöt — merkitsevät kuitenkin sitä, että tarvitaan myös kalliita esikäsittelyjärjestelmiä.

tuottavampien ja likaantumista kestävien kalvojen kehittäminen alentaisi suolanpoistojärjestelmien toiminta-ja pääomakustannuksia siinä määrin, että tekniikka on kaupallisesti kannattava jopa erittäin saastuneiden vesilähteiden osalta.

seuraavissa vaiheissa

akateemisten tutkijoiden ja päättäjien tulisi keskittyä seuraaviin asioihin.

ensin tutkijoiden ja insinöörien on pohdittava realistisia kemiallisia seoksia. Useimmat akateemiset tutkimukset keskittyvät yksittäisiin kemikaaleihin ja päättelevät seosten käyttäytymistä näiden tietojen perusteella. Tämä lähestymistapa uhkaa puuttuvia ilmiöitä, joita esiintyy vain kemiallisissa sekoituksissa, ja jättää huomiotta epäpuhtausjäämien roolin. Akateemikkojen ja teollisen tutkimuksen ja kehityksen johtajien olisi laadittava rinnakkaisseokset yhteisille erotuksille, jotka sisältävät tärkeimmät kemialliset komponentit ja yhteiset vierasaineet.

toiseksi minkä tahansa erotustekniikan taloudellisuutta ja kestävyyttä on arvioitava koko kemiallisen prosessin yhteydessä. Olisi käytettävä suorituskykymittareita, kuten kustannukset tuotekiloa kohti ja energiankäyttö kilogrammaa kohti. Kalvomoduulien tai sorbenttimateriaalien kaltaisten komponenttien elinkaari-ja vaihtokustannukset on otettava huomioon.

Kolmanneksi on tekniikan kehityksen alkuvaiheessa harkittava vakavasti, missä laajuudessa käyttöönottoa vaaditaan. Tarvitaan fyysistä infrastruktuuria, kuten akateemisia ja teollisesti toimivia testipaikkoja, jotta laboratoriosta voidaan viedä uutta teknologiaa pilottiasteikkoon, jotta havaittuja riskejä voidaan vähentää. Tämän hallitseminen edellyttää korkeakoulujen, valtion virastojen ja alan kumppaneiden yhteistyötä.

neljänneksi kemianinsinöörien ja kemistien nykyinen koulutus separaatioissa painottaa usein voimakkaasti tislausta. Altistuminen muille toiminnoille — kuten adsorptiolle, kiteytymiselle ja kalvoille — on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan kehittää työvoimaa, joka pystyy toteuttamaan koko tulevaisuuden edellyttämän erotusteknologian spektrin.