La maggior parte dei chimici industriali trascorrono le loro giornate separando i componenti di grandi quantità di miscele chimiche in forme pure o più pure. I processi coinvolti, come la distillazione, rappresentano il 10-15% del consumo energetico mondiale1, 2.

I metodi per purificare le sostanze chimiche più efficienti dal punto di vista energetico potrebbero, se applicati ai soli settori petrolifero, chimico e cartario degli Stati Uniti, far risparmiare 100 milioni di tonnellate di emissioni di anidride carbonica e 4 miliardi di dollari di costi energetici all’anno3 (cfr. “Riduzione dei costi”). Altri metodi consentirebbero di sfruttare nuove fonti di materiali, ad esempio estraendo metalli dall’acqua di mare.

Sfortunatamente, le alternative alla distillazione, come la separazione delle molecole in base alle loro proprietà chimiche o dimensioni, sono sottosviluppate o costose da scalare. Gli ingegneri dell’industria e del mondo accademico devono sviluppare membrane migliori e più economiche e altri modi per separare le miscele di sostanze chimiche che non si basano sul calore.

Qui, evidenziamo sette processi di separazione chimica che, se migliorati, raccoglierebbero grandi benefici globali. La nostra lista non è esaustiva; quasi tutte le sostanze chimiche commerciali derivano da un processo di separazione che potrebbe essere migliorato.

Sette separazioni

Idrocarburi dal petrolio greggio. Gli ingredienti principali per la produzione di combustibili fossili, materie plastiche e polimeri sono idrocarburi. Ogni giorno, le raffinerie di tutto il mondo elaborano circa 90 milioni di barili di petrolio greggio — circa 2 litri per ogni persona sul pianeta. La maggior parte lo fa utilizzando la distillazione atmosferica, che consuma circa 230 gigawatt (GW) a livello globale3, equivalente al consumo energetico totale del Regno Unito nel 2014 o circa la metà di quello del Texas. In una tipica raffineria, 200.000 barili al giorno di petrolio greggio vengono riscaldati in colonne alte 50 metri per liberare migliaia di composti in base ai loro punti di ebollizione. I gas leggeri emergono nella parte superiore fredda (a circa 20 °C); i fluidi progressivamente più pesanti escono nei punti più bassi e più caldi (fino a 400 °C).

Trovare un’alternativa alla distillazione è difficile perché il petrolio greggio contiene molte molecole complesse, alcune con elevata viscosità, e una miriade di contaminanti, tra cui composti di zolfo e metalli come mercurio e nichel. In linea di principio è possibile separare gli idrocarburi in base alle loro proprietà molecolari, come l’affinità chimica o la dimensione molecolare. I metodi di separazione basati sulla membrana, o altri metodi non termici, possono essere un ordine di grandezza più efficiente dal punto di vista energetico rispetto alle separazioni guidate dal calore che utilizzano la distillazione. Ma sono state fatte poche ricerche.

I ricercatori hanno bisogno di trovare materiali che siano in grado di separare molte famiglie di molecole allo stesso tempo, e che funzionano alle alte temperature necessarie per mantenere gli oli pesanti che scorre senza essere bloccato da contaminanti.

Uranio proveniente dall’acqua di mare. L’energia nucleare sarà cruciale per la futura generazione di energia a basse emissioni di carbonio. Sebbene la traiettoria dell’industria nucleare sia incerta, ai tassi di consumo attuali, le riserve geologiche note di uranio (4,5 milioni di tonnellate) possono durare un secolo4. Più di 4 miliardi di tonnellate di uranio esistono in acqua di mare a livelli di parte per miliardo.

Gli scienziati hanno cercato modi per separare l’uranio dall’acqua di mare4 per decenni. Ci sono materiali in grado di catturare l’uranio, come polimeri porosi contenenti gruppi amidoxime. Ma queste “gabbie” molecolari catturano anche altri metalli, tra cui vanadio, cobalto e nichel.

I chimici devono sviluppare processi per rimuovere questi metalli purificando e concentrando l’uranio dall’acqua di mare. Nel 1999-2001, le squadre giapponesi catturarono circa 350 grammi di uranio utilizzando un tessuto adsorbente4. L’avvio di una nuova centrale nucleare richiede centinaia di tonnellate di combustibile all’uranio, quindi la scala di questi processi dovrebbe essere notevolmente aumentata. In particolare, sono necessari sforzi per ridurre i costi per i materiali adsorbenti.

Tecnologie simili potrebbero catturare altri metalli preziosi4, come il litio, che viene utilizzato nelle batterie. La quantità di litio disciolta negli oceani è dieci volte superiore a quella delle risorse terrestri conosciute; le dimensioni limitate di quest’ultimo possono diventare una barriera a lungo termine allo stoccaggio di energia.

Alcheni da alcani. La produzione di materie plastiche come polietilene e polipropilene richiede alcheni-idrocarburi come etene e propene, noti anche come olefine. La produzione annuale globale di etene e propene supera i 200 milioni di tonnellate, circa 30 chilogrammi per ogni persona sul pianeta. La separazione industriale dell’etene dall’etano si basa in genere sulla distillazione criogenica ad alta pressione a temperature fino a -160 °C. La purificazione del propene e dell’etene da sola rappresenta lo 0,3% del consumo energetico globale, più o meno equivalente al consumo energetico annuale di Singapore.

Come nel caso del petrolio greggio, trovare sistemi di separazione che non richiedono modifiche da una fase all’altra potrebbe ridurre di un fattore dieci l’intensità energetica del processo (energia utilizzata per unità di volume o peso del prodotto) e compensare le emissioni di carbonio di un importo simile5. Ad esempio, si stanno sviluppando membrane di carbonio porose in grado di separare alcheni gassosi e alcani (chiamati anche paraffine) a temperatura ambiente e a pressioni miti (meno di 10 bar)6. Ma questi non possono ancora produrre gli alcheni puri oltre il 99,9% necessari per la produzione di prodotti chimici.

A breve termine, le tecniche di separazione “ibride” potrebbero aiutare: le membrane possono essere utilizzate per la separazione alla rinfusa e la distillazione criogenica per “lucidare” il prodotto. Tali approcci ridurrebbero l’intensità energetica della produzione di alchene di un fattore 2 o 3, fino a quando le membrane diventano abbastanza buone da sostituire completamente la distillazione. Un ostacolo importante è il ridimensionamento delle membrane: l’industria potrebbe richiedere superfici fino a 1 milione di metri quadrati. L’implementazione su questa scala richiederà nuovi metodi di produzione e progressi nelle proprietà dei materiali.

Gas serra da emissioni diluite. Le emissioni antropogeniche di CO2 e altri idrocarburi, come il metano rilasciato da raffinerie e pozzi, sono fattori chiave per il cambiamento climatico globale. È costoso e tecnicamente difficile catturare questi gas da fonti diluite come centrali elettriche, scarichi di raffineria e aria.

Liquidi come la monoetanolamina reagiscono prontamente con la CO2, ma poiché il calore deve essere applicato per rimuovere la CO2 dal liquido risultante, il processo non è economicamente sostenibile per le centrali elettriche. Se l’approccio fosse applicato a tutte le centrali elettriche degli Stati Uniti, la cattura di CO2 potrebbe costare il 30% della crescita del prodotto interno lordo del paese ogni anno7. È necessario sviluppare metodi più economici per catturare le emissioni di CO2 e idrocarburi con costi energetici minimi.

Un fattore di complicazione è decidere cosa fare con il prodotto purificato. La CO2 potrebbe essere utilizzata in un metodo di produzione di petrolio greggio noto come recupero di petrolio potenziato, o in agricoltura verticale e come materie prime chimiche e bioraffinerie. Ma le attività umane emettono così tanto del gas8 che in pratica gran parte di esso dovrà essere immagazzinato a lungo termine in serbatoi sotterranei, sollevando altri problemi.

Metalli delle terre rare da minerali. I 15 metalli lantanidi, o elementi delle terre rare, sono utilizzati nei magneti, nelle tecnologie di energia rinnovabile e come catalizzatori nella raffinazione del petrolio. Le lampade fluorescenti compatte utilizzano europio e terbio, ad esempio, e i convertitori catalitici si basano sul cerio. Produrre terre rare economicamente è un problema di separazione, non di disponibilità. Nonostante il loro nome, la maggior parte degli elementi sono molto più abbondanti nella crosta terrestre di oro, argento, platino e mercurio. Sfortunatamente, le terre rare si trovano in tracce nei minerali e sono spesso mescolate insieme perché sono chimicamente simili.

La separazione delle terre rare dai minerali richiede approcci meccanici (come la separazione magnetica ed elettrostatica) e l’elaborazione chimica (come la flottazione della schiuma). Questi sono inefficienti: devono fare i conti con le complesse composizioni dei minerali estratti, utilizzare grandi volumi di sostanze chimiche e produrre molti rifiuti e sottoprodotti radioattivi. I miglioramenti sono estremamente necessari.

Il riciclaggio delle terre rare dai prodotti di scarto è in aumento. I processi su misura potrebbero essere progettati perché le composizioni chimiche e fisiche dei prodotti sono ben definite. Sono stati esplorati vari metodi di estrazione metallurgica e in fase gassosa, ma le terre rare riciclate non fanno ancora parte della maggior parte delle catene di approvvigionamento9, 10. La ricerca è necessaria per ridurre l’impatto ecologico di elementi chiave contenenti terre rare durante l’intero ciclo di vita.

Derivati del benzene l’uno dall’altro. Le catene di approvvigionamento di molti polimeri, materie plastiche, fibre, solventi e additivi per carburanti dipendono dal benzene, un idrocarburo ciclico, nonché dai suoi derivati come il toluene, l’etilbenzene e gli isomeri dello xilene. Queste molecole sono separate in colonne di distillazione, con costi energetici globali combinati di circa 50 GW, sufficienti per alimentare circa 40 milioni di case.

Gli isomeri dello xilene sono molecole con leggere differenze strutturali l’una dall’altra che portano a diverse proprietà chimiche. Un isomero, para-xilene (o p-xilene), è più desiderabile per la produzione di polimeri come polietilene tereftalato (PET) e poliestere; più di 8 chilogrammi di p-xilene sono prodotti pro capite ogni anno negli Stati Uniti. Le dimensioni e i punti di ebollizione simili dei vari isomeri di xilene li rendono difficili da separare con metodi convenzionali come la distillazione.

I progressi nelle membrane o nei sorbenti potrebbero ridurre l’intensità energetica di questi processi. Come per altri processi chimici su scala industriale, l’implementazione di tecnologie alternative per la separazione dei derivati del benzene richiederà che la loro fattibilità sia dimostrata su scale successivamente più grandi prima dell’implementazione commerciale. Costruire un impianto chimico può costare US billion 1 miliardo o più, quindi gli investitori vogliono essere sicuri che una tecnologia funzionerà prima di costruire nuove infrastrutture.