Anek Suwannaphoom
Raffinerier bruker store mengder termisk energi til å behandle råolje.
de fleste industrielle kjemikere bruker dagene sine til å skille komponentene i store mengder kjemiske blandinger i rene eller renere former. De involverte prosessene, som destillasjon, står for 10-15% av verdens energiforbruk1, 2.Metoder for å rense kjemikalier som er mer energieffektive, kan, hvis de brukes på usas petroleums -, kjemisk-og papirproduksjonssektorer alene, spare 100 millioner tonn karbondioksidutslipp og us$4 milliarder i energikostnader årlig3 (se ‘Kutte kostnader’). Andre metoder vil gjøre det mulig for nye kilder til materialer å bli utnyttet, ved å trekke ut metaller fra sjøvann, for eksempel.Dessverre er alternativer til destillasjon, for eksempel separering av molekyler i henhold til deres kjemiske egenskaper eller størrelse, underutviklet eller dyrt å skalere opp. Ingeniører i industri og akademia må utvikle bedre og billigere membraner og andre måter å skille blandinger av kjemikalier som ikke er avhengige av varme.her fremhever vi syv kjemiske separasjonsprosesser som, hvis de forbedres, vil høste store globale fordeler. Vår liste er ikke uttømmende; nesten alle kommersielle kjemikalier stammer fra en separasjonsprosess som kan forbedres.
Syv separasjoner
Hydrokarboner fra råolje. Hovedingrediensene for produksjon av fossilt brensel, plast og polymerer er hydrokarboner. Hver dag prosesserer raffinerier rundt om i verden rundt 90 millioner fat råolje-omtrent 2 liter for hver person på planeten. De fleste gjør det ved hjelp av atmosfærisk destillasjon, som forbruker ca 230 gigawatt (GW) globalt3, tilsvarende Det totale energiforbruket I Storbritannia i 2014 eller omtrent halvparten Av Texas. I et typisk raffineri oppvarmes 200.000 fat råolje per dag i 50 meter høye kolonner for å frigjøre tusenvis av forbindelser i henhold til deres kokepunkter. Lette gasser dukker opp på den kjølige toppen (på rundt 20 °C); progressivt tyngre væsker forlater på lavere og varmere punkter (opptil 400 °C).
Kilde: Data Fra Ref. Å Finne et alternativ til destillasjon er vanskelig fordi råolje inneholder mange komplekse molekyler, noen med høye viskositeter, og utallige forurensninger, inkludert svovelforbindelser og metaller som kvikksølv og nikkel. Det er i prinsippet mulig å separere hydrokarboner i henhold til deres molekylære egenskaper, for eksempel kjemisk affinitet eller molekylær størrelse. Membranbaserte separasjonsmetoder, eller andre ikke-termiske, kan være en størrelsesorden mer energieffektiv enn varmedrevne separasjoner som bruker destillasjon. Men lite forskning har blitt gjort.Forskere må finne materialer som er i stand til å skille mange familier av molekyler samtidig, og som fungerer ved de høye temperaturene som trengs for å holde tunge oljer flyter uten å bli blokkert av forurensninger.
Uran fra sjøvann. Kjernekraft vil være avgjørende for fremtidig lavkarbonproduksjon. Selv om atomindustriens bane er usikker, kan kjente geologiske reserver av uran (4, 5 millioner tonn) ved dagens forbruk vare et århundre4. Mer enn 4 milliarder tonn uran finnes i sjøvann på del per milliard nivåer.
Forskere har søkt måter å skille uran fra sjøvann4 i flere tiår. Det er materialer som er i stand til å fange uran, for eksempel porøse polymerer som inneholder amidoksimgrupper. Men disse molekylære ‘burene’ fanger også andre metaller, inkludert vanadium, kobolt og nikkel.Kjemikere må utvikle prosesser for å fjerne disse metallene mens de renser og konsentrerer uran fra sjøvann. I 1999-2001 fanget Japanske lag rundt 350 gram uran ved hjelp av et adsorbentstoff4. Å starte opp et nytt atomkraftverk krever hundrevis av tonn uranbrensel, så omfanget av disse prosessene må økes kraftig. Spesielt er det nødvendig med tiltak for å redusere kostnadene for adsorbentmaterialer.Lignende teknologier kan fange opp andre verdifulle metaller4, for eksempel litium, som brukes i batterier. Mengden litium oppløst i havene er ti ganger større enn i kjente landbaserte ressurser; den begrensede størrelsen på sistnevnte kan bli en langsiktig barriere for energilagring.
Alkener fra alkaner. Produksjon av plast som polyeten og polypropen krever alkener — hydrokarboner som eten og propen, også kjent som olefiner. Global årlig produksjon av eten og propen overstiger 200 millioner tonn, ca 30 kilo for hver person på planeten. Den industrielle separasjonen av eten fra etan er vanligvis avhengig av høytrykks kryogen destillasjon ved temperaturer så lave som -160 °c. Rensing av propen og eten alene står for 0,3% av den globale energibruken, omtrent tilsvarende Singapores årlige energiforbruk.Som med råolje kan det å finne separasjonssystemer som ikke krever endringer fra en fase til en annen, med en faktor på ti redusere prosessens energiintensitet (energi brukt per volumenhet eller vekt av produkt)og kompensere karbonutslipp med et tilsvarende beløp5. For eksempel utvikles porøse karbonmembraner som kan skille gassformige alkener og alkaner (også kalt paraffiner) ved romtemperatur og ved milde trykk (mindre enn 10 bar)6. Men disse kan ennå ikke produsere mer enn 99,9% rene alkener som trengs for produksjon av kjemikalier.
på kort sikt kan ‘hybrid’ separasjonsteknikker hjelpe-membraner kan brukes til bulkseparasjon og kryogen destillasjon for polering av produktet. Slike tilnærminger vil redusere energiintensiteten til alken produksjon med en faktor på 2 eller 3, til membraner blir gode nok til å erstatte destillasjon helt. Et stort hinder er å skalere opp membranene — industrien kan kreve overflatearealer på opptil 1 million kvadratmeter. Distribusjon på denne skalaen vil kreve nye produksjonsmetoder samt fremskritt i materialets egenskaper.
Klimagasser fra fortynnede utslipp. Menneskeskapte utslipp AV CO2 og andre hydrokarboner, som metan frigjort fra raffinerier og brønner, er viktige bidragsytere til globale klimaendringer. Det er dyrt og teknisk vanskelig å fange disse gassene fra fortynnede kilder som kraftverk, raffineriutslipp og luft.Væsker som monoetanolamin reagerer lett MED CO2, men fordi varme må påføres for å fjerne CO2 FRA den resulterende væsken, er prosessen ikke økonomisk levedyktig for kraftverk. Hvis tilnærmingen ble brukt på hvert kraftverk i Usa, KUNNE co2-fangst koste 30% av landets vekst i bruttonasjonalprodukt hvert år7. Billigere metoder for å fange CO2-og hydrokarbonutslipp med minimale energikostnader må utvikles.
en kompliserende faktor er å bestemme hva man skal gjøre med det rensede produktet. CO2 kan brukes i en råoljeproduksjonsmetode kjent som økt oljeutvinning, eller i vertikal oppdrett og som kjemisk og bioraffineri råstoff. Men menneskelige aktiviteter avgir så mye av gassen8 at i praksis må mye av det lagres på lang sikt i underjordiske reservoarer, noe som øker andre problemer.
ORNL
høy kapasitet (hicap) polymerer kan skille metaller som uran fra løsningen.
Sjeldne jordmetaller fra malm. De 15 lantanidmetallene, eller sjeldne jordelementer, brukes i magneter, i fornybare energiteknologier og som katalysatorer i petroleumsraffinering. Kompaktlysrør bruker europium og terbium, for eksempel, og katalysatorer stole på cerium. Å produsere sjeldne jordarter økonomisk er et problem med separasjon, ikke tilgjengelighet. Til tross for navnet er de fleste elementene mye mer rikelig I Jordskorpen enn gull, sølv, platina og kvikksølv. Dessverre finnes sjeldne jordarter i spormengder i malm og blandes ofte sammen fordi de er kjemisk like.Separasjon av sjeldne jordarter fra malm krever mekaniske tilnærminger (som magnetisk og elektrostatisk separasjon) og kjemisk behandling (som skumflotasjon). Disse er ineffektive: de må kjempe med de komplekse sammensetningene av malm, bruke store mengder kjemikalier og produsere mye avfall og radioaktive biprodukter. Forbedringer er sårt nødvendig.
resirkuleringen av sjeldne jordarter fra kasserte produkter øker. Skreddersydde prosesser kan utformes fordi de kjemiske og fysiske sammensetningene av produktene er godt definert. En rekke metallurgiske og gassfaseutvinningsmetoder har blitt utforsket, men resirkulerte sjeldne jordarter er ennå ikke en del av de fleste forsyningskjeder9, 10. Forskning er nødvendig for å redusere den økologiske virkningen av viktige elementer som inneholder sjeldne jordarter over hele livssyklusen.
Benzenderivater fra hverandre. Forsyningskjedene til mange polymerer, plast, fibre, løsemidler og drivstofftilsetninger er avhengige av benzen, et syklisk hydrokarbon, samt dets derivater som toluen, etylbenzen og xylenisomerer. Disse molekylene er separert i destillasjonskolonner, med kombinerte globale energikostnader på ca 50 GW, nok til å drive omtrent 40 millioner hjem.isomerer av xylen er molekyler med små strukturelle forskjeller fra hverandre som fører til forskjellige kjemiske egenskaper. En isomer, para-xylen (eller p-xylen), er mest ønskelig for å produsere polymerer som polyetylentereftalat (PET) OG polyester; mer enn 8 kilo p-xylen produseres per innbygger hvert år i Usa. Den samme størrelsen og kokepunktene til de forskjellige xylenisomerer gjør dem vanskelige å skille ved konvensjonelle metoder som destillasjon.Fremskritt i membraner eller sorbenter kan redusere energiintensiteten til disse prosessene. Som for andre kjemiske prosesser i industriell skala, vil implementering av alternative teknologier for separering av benzenderivater kreve at deres levedyktighet bevises på suksessivt større skalaer før kommersiell implementering. Å bygge et kjemisk anlegg kan koste us$1 milliard eller mer, så investorer vil være sikre på at en teknologi vil fungere før de bygger ny infrastruktur.
«et stort hinder er å skalere opp membraner.»
Spor forurensninger fra vann. Avsalting — enten gjennom destillasjon eller membranfiltrering — er energi-og kapitalintensiv, noe som gjør det umulig å oppnå i mange tørre områder. Destillasjon er ikke svaret: termodynamikk definerer minimumsmengden energi som trengs for å generere drikkevann fra sjøvann, og destillasjon bruker 50 ganger mer energi enn denne grunnleggende grensen.Omvendt osmosefiltrering, en prosess som bruker trykk over en membran til saltvann for å produsere rent vann, krever bare 25% mer energi enn den termodynamiske grensen5. Men omvendt osmosemembraner behandler vann til begrensede priser, og krever store, kostbare planter for å produsere tilstrekkelig strømning. Omvendt osmose av sjøvann er allerede gjort på kommersiell skala I Midtøsten og Australia. Men de praktiske vanskelighetene med å håndtere mer forurenset vann – inkludert korrosjon, biofilmdannelse, skalering og partikkelavsetning — betyr at det også er behov for dyre forbehandlingssystemer.Utvikling av membraner som er mer produktive og motstandsdyktige mot begroing, vil redusere drifts-og kapitalkostnadene til avsaltingssystemer til det punktet at teknikken er kommersielt levedyktig for selv svært forurensede vannkilder.
Neste trinn
Akademiske forskere og beslutningstakere bør fokusere på følgende problemer.først må forskere og ingeniører vurdere realistiske kjemiske blandinger. De fleste akademiske studier fokuserer på enkeltkjemikalier og utleder oppførselen til blandinger ved hjelp av denne informasjonen. Denne tilnærmingen risikerer manglende fenomener som bare forekommer i kjemiske blandinger, og ignorerer rollen som sporforurensninger. Akademikere og ledere innen industriell forskning og utvikling bør etablere proxyblandinger for felles separasjoner som inkluderer de viktigste kjemiske komponentene og vanlige forurensninger.For Det Andre må økonomien og bærekraften til enhver separasjonsteknologi vurderes i sammenheng med en hel kjemisk prosess. Ytelsesmålinger som kostnad per kilo produkt og energiforbruk per kilo skal brukes. Levetiden og erstatningskostnadene for komponenter som membranmoduler eller sorbentmaterialer må tas med i beregningen.
For Det Tredje må det tidlig i teknologiutviklingen tas alvorlig hensyn til omfanget der utplassering er nødvendig. Fysisk infrastruktur som akademiske og industrielt opererte testsenger vil være nødvendig for å ta ny teknologi fra laboratoriet til pilotskalaer, slik at enhver oppfattet risiko kan reduseres. Å håndtere dette vil kreve at akademia, myndigheter og industripartnere samarbeider.For Det Fjerde legger dagens opplæring av kjemiske ingeniører og kjemikere i separasjoner ofte stor vekt på destillasjon. Eksponering for andre operasjoner — som adsorpsjon, krystallisering og membraner-er avgjørende for å utvikle en arbeidsstyrke som er i stand til å implementere hele spekteret av separasjonsteknologier som fremtiden vil kreve.
