a legtöbb ipari vegyész napjait nagy mennyiségű kémiai keverék összetevőinek tiszta vagy tisztább formákra történő elválasztásával tölti. Az érintett folyamatok, mint például a lepárlás, a világ energiafogyasztásának 10-15% – át teszik ki1, 2.

az energiahatékonyabb vegyi anyagok tisztítására szolgáló módszerek, ha csak az Egyesült Államok kőolaj -, vegyipari és papírgyártási ágazatában alkalmazzák őket, 100 millió tonna szén-dioxid-kibocsátást és évi 4 milliárd USD energiaköltséget takaríthatnak3 (lásd: költségcsökkentés). Más módszerek lehetővé tennék az új anyagforrások kiaknázását, például a fémek tengervízből történő kinyerésével.

sajnos a desztilláció alternatívái, például a molekulák kémiai tulajdonságaik vagy méretük szerinti elválasztása, fejletlenek vagy drágák. Az ipari és tudományos mérnököknek jobb és olcsóbb membránokat és más módszereket kell kifejleszteniük a hőtől nem függő vegyi anyagok keverékeinek elválasztására.

itt hét kémiai elválasztási folyamatot emelünk ki, amelyek fejlesztése nagy globális előnyökkel járna. Listánk nem kimerítő; szinte az összes kereskedelmi vegyi anyag egy szétválasztási folyamatból származik, amelyet javítani lehet.

nyersolajból származó szénhidrogének hét szeparációja

. A fosszilis tüzelőanyagok, műanyagok és polimerek gyártásának fő összetevői a szénhidrogének. A világ finomítói naponta körülbelül 90 millió hordó nyersolajat dolgoznak fel — nagyjából 2 liter minden ember számára a bolygón. A legtöbb ezt légköri desztillációval teszi, amely globálisan körülbelül 230 gigawattot (GW) fogyaszt3, ami megegyezik az Egyesült Királyság 2014-es teljes energiafogyasztásával, vagy Texas körülbelül felével. Egy tipikus finomítóban napi 200 000 hordó nyersolajat melegítenek 50 méter magas oszlopokban, hogy vegyületek ezreit szabadítsák fel forráspontjuk szerint. Könnyű gázok jelennek meg a hűvös tetején (körülbelül 20 Kb C); fokozatosan nehezebb folyadékok távoznak az alacsonyabb és melegebb pontokon (400 C-ig).

A desztilláció alternatíváját nehéz megtalálni, mivel a nyersolaj sok összetett molekulát tartalmaz, amelyek közül néhány magas viszkozitású, és számtalan szennyező anyagot tartalmaz, beleértve a kénvegyületeket és a fémeket, például a higanyt és a nikkelt. Elvileg megvalósítható a szénhidrogének molekuláris tulajdonságaik, például kémiai affinitásuk vagy molekulaméretük szerint történő elválasztása. A membrán alapú elválasztási módszerek vagy más nem termikus módszerek nagyságrenddel energiahatékonyabbak lehetnek, mint a desztillációt alkalmazó hővezérelt elválasztások. De kevés kutatást végeztek.

a kutatóknak olyan anyagokat kell találniuk, amelyek képesek egyszerre több molekulacsaládot elválasztani, és amelyek olyan magas hőmérsékleten működnek, amely szükséges ahhoz, hogy a nehézolajok áramolhassanak anélkül, hogy szennyeződések blokkolnák őket.

urán tengervízből. Az atomenergia kulcsfontosságú lesz a jövőbeni alacsony szén-dioxid-kibocsátású energiatermelés szempontjából. Bár a nukleáris ipar pályája bizonytalan, a jelenlegi fogyasztási arányok mellett az urán ismert geológiai tartalékai (4,5 millió tonna) akár egy évszázadig is eltarthatnak4. Több mint 4 milliárd tonna urán van a tengervízben a part-per-milliárd szinten.

a tudósok évtizedek óta keresik az urán elválasztásának módjait a tengervíztől4. Vannak olyan anyagok, amelyek képesek befogni az uránt, például amidoximcsoportokat tartalmazó porózus polimerek. De ezek a molekuláris ‘ketrecek’ más fémeket is befognak, beleértve a vanádiumot, a kobaltot és a nikkelt.

a vegyészeknek olyan eljárásokat kell kidolgozniuk, amelyek eltávolítják ezeket a fémeket, miközben megtisztítják és koncentrálják az uránt a tengervízből. 1999-2001-ben a japán csapatok mintegy 350 gramm uránt fogtak el egy adszorbens felhasználásával fabric4. Egy új atomerőmű beindításához több száz tonna urán üzemanyagra van szükség, ezért ezeknek a folyamatoknak a mértékét jelentősen meg kell növelni. Különösen az adszorbens anyagok költségeinek csökkentésére irányuló erőfeszítésekre van szükség.

hasonló technológiák más értékes fémeket is elfoghatnak4, például lítiumot, amelyet az akkumulátorokban használnak. Az óceánokban oldott lítium mennyisége tízszer nagyobb, mint az ismert szárazföldi erőforrásokban; ez utóbbi korlátozott mérete hosszú távú akadályt jelenthet az energiatárolásban.

alkánokból származó alkének. A műanyagok, például a polietilén és a polipropén előállításához alkének — szénhidrogének, például etén és propén, más néven olefinek-szükségesek. Az etén és propén globális éves termelése meghaladja a 200 millió tonnát, ami körülbelül 30 kilogramm a bolygó minden egyes emberére. Az etén és az etán ipari szétválasztása jellemzően nagynyomású kriogén desztilláción alapul, akár -160 C hőmérsékleten is. a propén és az etén tisztítása önmagában a globális energiafelhasználás 0,3% – át teszi ki, ami nagyjából megegyezik Szingapúr éves energiafogyasztásával.

a nyersolajhoz hasonlóan az olyan elválasztó rendszerek megtalálása, amelyek nem igényelnek fázisváltást, tízszeresére csökkentheti a folyamat energiaintenzitását (a termék egységnyi térfogatára vagy tömegére felhasznált energia), és hasonló összeggel ellensúlyozhatja a szén-dioxid-kibocsátást5. Például olyan porózus szénmembránokat fejlesztenek ki, amelyek szobahőmérsékleten és enyhe nyomáson (kevesebb, mint 10 bar) képesek elválasztani a gáznemű alkéneket és alkánokat (más néven paraffinokat)6. De ezek még nem tudják előállítani a vegyi anyagok gyártásához szükséges több mint 99,9% – os tisztaságú alkéneket.

rövid távon a ‘hibrid’ elválasztási technikák segíthetnek — a membránok használhatók ömlesztett elválasztáshoz és kriogén desztillációhoz a termék ‘polírozásához’. Az ilyen megközelítések 2 vagy 3-szorosára csökkentenék az alkéntermelés energiaintenzitását, amíg a membránok elég jók lesznek a desztilláció teljes helyettesítésére. Jelentős akadály a membránok méretezése — az iparnak akár 1 millió négyzetméter felületre is szüksége lehet. Az ilyen léptékű telepítéshez új gyártási módszerekre, valamint az anyagok tulajdonságainak fejlődésére lesz szükség.

hígított kibocsátásból származó üvegházhatású gázok. A CO2 és más szénhidrogének, például a finomítókból és kutakból felszabaduló metán antropogén kibocsátása kulcsfontosságú szerepet játszik a globális éghajlatváltozásban. Drága és technikailag nehéz ezeket a gázokat olyan híg forrásokból befogni, mint az erőművek, a finomítói kipufogógázok és a levegő.

az olyan folyadékok, mint a monoetanol-amin, könnyen reagálnak a CO2-vel, de mivel hőt kell alkalmazni a CO2 eltávolításához a keletkező folyadékból, az eljárás gazdaságilag nem életképes az erőművek számára. Ha ezt a megközelítést az Egyesült Államok Minden erőművére alkalmaznák, a CO2-leválasztás évente az ország bruttó hazai termékének növekedésének 30% – át fizetheti7. Olcsóbb módszereket kell kidolgozni a CO2-és szénhidrogén-kibocsátás minimális energiaköltségekkel történő lekötésére.

bonyolító tényező annak eldöntése, hogy mit kell tenni a tisztított termékkel. A CO2 felhasználható a fokozott olajvisszanyerésnek nevezett nyersolaj-előállítási módszerben, vagy a vertikális gazdálkodásban, valamint vegyi és biofinomító alapanyagként. Az emberi tevékenységek azonban olyan sok gázt bocsátanak KI8, hogy a gyakorlatban annak nagy részét hosszú távon föld alatti tározókban kell tárolni, ami más kérdéseket vet fel.

ritkaföldfémek ércekből. A 15 lantanid fémet vagy ritkaföldfémet mágnesekben, megújuló energia technológiákban és katalizátorként használják a kőolajfinomításban. A kompakt fénycsövek például europiumot és terbiumot használnak, a katalizátorok pedig cériumot használnak. A ritkaföldfémek gazdaságos előállítása az elválasztás problémája, nem pedig a rendelkezésre állás. Nevük ellenére a legtöbb elem sokkal bőségesebb a földkéregben, mint az arany, az ezüst, a platina és a higany. Sajnos a ritkaföldfémek nyomokban megtalálhatók az ércekben, és gyakran összekeverik őket, mert kémiailag hasonlóak.

a ritkaföldfémek ércektől való elválasztása mechanikus megközelítést (például mágneses és elektrosztatikus elválasztást) és kémiai feldolgozást (például habos flotációt) igényel. Ezek nem hatékonyak: meg kell küzdeniük a bányászott ércek összetett összetételével, nagy mennyiségű vegyi anyagot kell felhasználniuk, és sok hulladékot és radioaktív mellékterméket kell előállítaniuk. A fejlesztésekre nagy szükség van.

a ritkaföldfémek újrahasznosítása az eldobott termékekből növekszik. Az egyedi eljárásokat azért lehet megtervezni, mert a termékek kémiai és fizikai összetétele jól meghatározott. Számos kohászati és gázfázisú kitermelési módszert vizsgáltak, de az újrahasznosított ritkaföldfémek még nem részei a legtöbb ellátási láncnak9, 10. Kutatásra van szükség a ritkaföldfémeket tartalmazó kulcsfontosságú elemek ökológiai hatásának teljes életciklusuk során történő csökkentése érdekében.

Benzolszármazékok egymástól. Számos polimer, műanyag, rost, oldószer és üzemanyag-adalékanyag ellátási lánca függ a benzoltól, egy ciklikus szénhidrogéntől, valamint származékaitól, például a toluoltól, az etilbenzoltól és a xilol izomerektől. Ezeket a molekulákat desztillációs oszlopokban választják el egymástól, a globális energiaköltségek együttesen körülbelül 50 GW, ami nagyjából 40 millió otthon áramellátásához elegendő.

a xilol izomerjei olyan molekulák, amelyek egymástól kis szerkezeti eltérésekkel rendelkeznek, amelyek különböző kémiai tulajdonságokhoz vezetnek. Az egyik izomer, a para-xilol (vagy p-xilol) a legkívánatosabb polimerek, például polietilén-tereftalát (PET) és poliészter előállításához; az Egyesült Államokban évente több mint 8 kilogramm p-xilolt állítanak elő fejenként. A különböző xilol-izomerek hasonló mérete és forráspontja megnehezíti a szétválasztásukat hagyományos módszerekkel, például desztillációval.

a membránok vagy szorbensek fejlődése csökkentheti ezen folyamatok energiaintenzitását. Más ipari léptékű kémiai eljárásokhoz hasonlóan a benzolszármazékok elválasztására szolgáló alternatív technológiák bevezetése megköveteli, hogy életképességüket a kereskedelmi megvalósítás előtt egymás után nagyobb léptékben bizonyítsák. Egy vegyi üzem építése 1 milliárd dollárba vagy annál többe kerülhet, ezért a befektetők biztosak akarnak lenni abban, hogy egy technológia működni fog, mielőtt új infrastruktúrát építenének.

a vízből származó szennyeződések nyomai. A sótalanítás — akár desztillációval, akár membránszűréssel-energia-és tőkeigényes, így sok száraz területen megvalósíthatatlan. A desztilláció nem megoldás: a termodinamika meghatározza az ivóvíz tengervízből történő előállításához szükséges minimális energiamennyiséget, és a desztilláció 50-szer több energiát használ fel, mint ez az alapvető határ.

a fordított ozmózisos szűrés, amely a membránon keresztül nyomást gyakorol a sós vízre a tiszta víz előállításához, csak 25%-kal több energiát igényel, mint a termodinamikai határ5. De a fordított ozmózisú membránok korlátozott sebességgel dolgozzák fel a vizet, nagy, költséges növényekre van szükség a megfelelő áramlás előállításához. A tengervíz fordított ozmózisát már kereskedelmi méretekben végzik a Közel-Keleten és Ausztráliában. De a szennyezettebb víz kezelésének gyakorlati nehézségei – beleértve a korróziót, a biofilmképződést, a vízkőképződést és a részecskék lerakódását — azt jelentik, hogy drága előkezelő rendszerekre is szükség van.

olyan membránok kifejlesztése, amelyek produktívabbak és ellenállóbbak a szennyeződésekkel szemben, a sótalanító rendszerek működési és tőkeköltségeit olyan mértékben csökkentené, hogy a technika kereskedelmi szempontból életképes még az erősen szennyezett vízforrások esetében is.

következő lépések

a tudományos kutatóknak és a politikai döntéshozóknak a következő kérdésekre kell összpontosítaniuk.

először is, a kutatóknak és mérnököknek reális kémiai keverékeket kell figyelembe venniük. A legtöbb tudományos tanulmány az egyes vegyi anyagokra összpontosít, és ezen információk felhasználásával következtethet a keverékek viselkedésére. Ez a megközelítés azt kockáztatja, hogy csak a kémiai keverékekben előforduló hiányzó jelenségek fordulnak elő, és figyelmen kívül hagyja a nyomokban előforduló szennyező anyagok szerepét. A tudományos kutatóknak és az ipari kutatás-fejlesztés vezetőinek meg kell állapítaniuk a főbb kémiai összetevőket és a közönséges szennyeződéseket tartalmazó, közös elválasztásokhoz használt keverékeket.

másodszor, bármely szétválasztási technológia gazdaságosságát és fenntarthatóságát egy teljes kémiai folyamat összefüggésében kell értékelni. Olyan teljesítménymutatókat kell alkalmazni, mint a termék kilogrammonkénti költsége és az energiafelhasználás kilogrammonként. Figyelembe kell venni az alkatrészek, például a membránmodulok vagy a szorbens anyagok élettartamát és cseréjének költségeit.

harmadszor, a technológiai fejlesztés korai szakaszában komolyan figyelembe kell venni a telepítés mértékét. Fizikai infrastruktúrára, például tudományos és ipari működtetésű tesztágyakra lesz szükség ahhoz, hogy az új technológiákat a laboratóriumból a kísérleti skálákba vigyék, hogy az észlelt kockázatok csökkenthetők legyenek. Ennek kezelése megköveteli az egyetemek, a kormányzati szervek és az ipari partnerek együttműködését.

negyedszer, a vegyészmérnökök és vegyészek jelenlegi képzése a szétválasztásban gyakran nagy hangsúlyt fektet a lepárlásra. Az egyéb műveleteknek — például az adszorpciónak, a kristályosodásnak és a membránoknak — való kitettség döntő fontosságú egy olyan munkaerő kifejlesztéséhez, amely képes a szétválasztási technológiák teljes spektrumának megvalósítására, amelyre a jövőben szükség lesz.