majoritatea chimiștilor industriali își petrec zilele separând componentele unor cantități mari de amestecuri chimice în forme pure sau mai pure. Procesele implicate, cum ar fi distilarea, reprezintă 10-15% din consumul mondial de energie1, 2.

metodele de purificare a substanțelor chimice care sunt mai eficiente din punct de vedere energetic ar putea, dacă ar fi aplicate exclusiv sectoarelor petrolului, chimiei și hârtiei din SUA, să economisească 100 de milioane de tone de emisii de dioxid de carbon și 4 miliarde de dolari în costurile energetice anual3 (a se vedea reducerea costurilor). Alte metode ar permite exploatarea de noi surse de materiale, prin extragerea metalelor din apa de mare, de exemplu.din păcate, alternativele la distilare, cum ar fi separarea moleculelor în funcție de proprietățile sau dimensiunile lor chimice, sunt subdezvoltate sau costisitoare de extins. Inginerii din industrie și mediul academic trebuie să dezvolte membrane mai bune și mai ieftine și alte modalități de a separa amestecurile de substanțe chimice care nu se bazează pe căldură.aici, evidențiem șapte procese de separare chimică care, dacă ar fi îmbunătățite, ar avea mari beneficii globale. Lista noastră nu este exhaustivă; aproape toate substanțele chimice comerciale provin dintr-un proces de separare care ar putea fi îmbunătățit.

șapte separări

hidrocarburi din țiței. Principalele ingrediente pentru fabricarea combustibililor fosili, a materialelor plastice și a polimerilor sunt hidrocarburile. În fiecare zi, rafinăriile din întreaga lume procesează aproximativ 90 de milioane de barili de țiței — aproximativ 2 litri pentru fiecare persoană de pe planetă. Majoritatea fac acest lucru folosind distilarea atmosferică, care consumă aproximativ 230 gigawați (GW) global3, echivalent cu consumul total de energie al Regatului Unit în 2014 sau aproximativ jumătate din cel al Texasului. Într-o rafinărie tipică, 200.000 de barili pe zi de țiței sunt încălziți în coloane înalte de 50 de metri pentru a elibera mii de compuși în funcție de punctele lor de fierbere. Gazele ușoare apar în partea superioară rece (în jurul valorii de 20 c); fluidele progresiv mai grele se lasă în puncte inferioare și mai fierbinți (până la 400 centimetric C).

găsirea unei alternative la distilare este dificilă, deoarece țițeiul conține multe molecule complexe, unele cu vâscozități ridicate și nenumărate contaminanți, inclusiv compuși de sulf și metale precum mercurul și nichelul. În principiu, este posibil să se separe hidrocarburile în funcție de proprietățile lor moleculare, cum ar fi afinitatea chimică sau dimensiunea moleculară. Metodele de separare pe bază de membrană sau alte metode non-termice pot fi un ordin de mărime mai eficient din punct de vedere energetic decât separările bazate pe căldură care utilizează distilarea. Dar s-au făcut puține cercetări.

cercetătorii trebuie să găsească materiale care sunt capabile să separe multe familii de molecule în același timp și care funcționează la temperaturile ridicate necesare pentru a menține curgerea uleiurilor grele fără a fi blocate de contaminanți.

uraniu din apa de mare. Energia nucleară va fi crucială pentru viitoarea generație de energie cu emisii reduse de carbon. Deși traiectoria industriei nucleare este incertă, la ratele actuale de consum, rezervele geologice cunoscute de uraniu (4,5 milioane de tone) pot dura un secol4. Mai mult de 4 miliarde de tone de uraniu există în apa de mare la niveluri parțiale pe miliard.

oamenii de știință au căutat modalități de a separa uraniul de apa de mare4 de zeci de ani. Există materiale capabile să capteze uraniu, cum ar fi polimerii poroși care conțin grupări amidoxime. Dar aceste ‘cuști’ moleculare Captează și alte metale, inclusiv vanadiu, cobalt și nichel.chimiștii trebuie să dezvolte procese pentru a elimina aceste metale în timp ce purifică și concentrează uraniul din apa de mare. În 1999-2001, echipele japoneze au capturat aproximativ 350 de grame de uraniu folosind un material adsorbant4. Înființarea unei noi centrale nucleare necesită sute de tone de combustibil de uraniu, astfel încât amploarea acestor procese ar trebui să fie mult crescută. În special, sunt necesare eforturi de reducere a costurilor pentru materialele adsorbante.

tehnologii similare ar putea capta alte metale valoroase4, cum ar fi litiul, care este utilizat în baterii. Cantitatea de litiu dizolvată în oceane este de zece ori mai mare decât cea din resursele terestre cunoscute; dimensiunea limitată a acestora din urmă poate deveni o barieră pe termen lung în calea stocării energiei.

alchene din alcani. Fabricarea materialelor plastice, cum ar fi polietena și polipropena, necesită alchene — hidrocarburi, cum ar fi etena și propena, cunoscute și sub numele de olefine. Producția anuală globală de etenă și propenă depășește 200 de milioane de tone, aproximativ 30 de kilograme pentru fiecare persoană de pe planetă. Separarea industrială a etenei de etan se bazează de obicei pe distilarea criogenică de înaltă presiune la temperaturi de până la -160 centimetric C. purificarea propenei și a etenei reprezintă doar 0,3% din consumul global de energie, aproximativ echivalent cu consumul anual de energie din Singapore.

ca și în cazul țițeiului, găsirea sistemelor de separare care nu necesită modificări de la o fază la alta ar putea reduce cu un factor de zece intensitatea energetică a procesului (energia utilizată pe unitatea de volum sau greutate a produsului) și ar compensa emisiile de carbon cu o cantitate similară5. De exemplu, se dezvoltă membrane de carbon poroase care pot separa alchenele și alcanii gazoși (numiți și parafine) la temperatura camerei și la presiuni ușoare (mai puțin de 10 bar)6. Dar acestea nu pot produce încă mai mult de 99,9% alchene pure necesare pentru fabricarea substanțelor chimice.

pe termen scurt, tehnicile de separare ‘hibride’ ar putea ajuta — membranele pot fi utilizate pentru separarea în vrac și distilarea criogenică pentru ‘lustruirea’ produsului. Astfel de abordări ar reduce intensitatea energetică a producției de alchenă cu un factor de 2 sau 3, până când membranele devin suficient de bune pentru a înlocui complet distilarea. Un obstacol major este extinderea membranelor-industria ar putea necesita suprafețe de până la 1 milion de metri pătrați. Implementarea la această scară va necesita noi metode de fabricație, precum și progrese în proprietățile materialelor.

gaze cu efect de seră provenite din emisii diluate. Emisiile antropice de CO2 și alte hidrocarburi, cum ar fi metanul eliberat din rafinării și puțuri, contribuie cheie la schimbările climatice globale. Este costisitoare și dificilă din punct de vedere tehnic captarea acestor gaze din surse diluate, cum ar fi centralele electrice, evacuările rafinăriilor și aerul.

lichidele precum monoetanolamina reacționează ușor cu CO2, dar deoarece căldura trebuie aplicată pentru a îndepărta CO2 din lichidul rezultat, procesul nu este viabil din punct de vedere economic pentru centralele electrice. Dacă abordarea ar fi aplicată fiecărei centrale electrice din Statele Unite, captarea CO2 ar putea costa 30% din creșterea Produsului Intern Brut al țării în fiecare AN7. Trebuie dezvoltate metode mai ieftine pentru captarea emisiilor de CO2 și hidrocarburi cu costuri minime de energie.

un factor complicat este de a decide ce să facă cu produsul purificat. CO2 ar putea fi utilizat într-o metodă de producție a țițeiului cunoscută sub numele de recuperare îmbunătățită a țițeiului sau în agricultura verticală și ca materii prime chimice și biorafinării. Dar activitățile umane emit atât de mult gaz8 încât, în practică, o mare parte din acesta va trebui să fie depozitat pe termen lung în rezervoare subterane, ridicând alte probleme.

metale de pământuri Rare din minereuri. Cele 15 metale lantanide, sau elemente de pământuri rare, sunt utilizate în magneți, în tehnologii de energie regenerabilă și ca catalizatori în rafinarea petrolului. Lămpile fluorescente compacte folosesc Europiu și terbiu, de exemplu, iar convertoarele catalitice se bazează pe ceriu. Producerea pământurilor rare din punct de vedere economic este o problemă de separare, nu de disponibilitate. În ciuda numelui lor, majoritatea elementelor sunt mult mai abundente în scoarța terestră decât aurul, argintul, platina și mercurul. Din păcate, pământurile rare se găsesc în cantități mici în minereuri și sunt adesea amestecate, deoarece sunt similare din punct de vedere chimic.

separarea pământurilor rare de minereuri necesită abordări mecanice (cum ar fi separarea magnetică și electrostatică) și prelucrarea chimică (cum ar fi flotarea spumei). Acestea sunt ineficiente: trebuie să se confrunte cu compozițiile complexe ale minereurilor minate, să utilizeze volume mari de substanțe chimice și să producă o mulțime de deșeuri și subproduse radioactive. Îmbunătățirile sunt extrem de necesare.

reciclarea pământurilor rare din produsele aruncate este în creștere. Procesele personalizate ar putea fi proiectate deoarece compozițiile chimice și fizice ale produselor sunt bine definite. Au fost explorate o varietate de metode de extracție metalurgică și în fază gazoasă, dar pământurile rare reciclate nu fac încă parte din majoritatea lanțurilor de furnizare9, 10. Sunt necesare cercetări pentru a reduce impactul ecologic al elementelor cheie care conțin pământuri rare pe parcursul întregului lor ciclu de viață.

derivați de benzen unul de celălalt. Lanțurile de aprovizionare ale multor polimeri, materiale plastice, fibre, solvenți și aditivi pentru combustibil depind de benzen, o hidrocarbură ciclică, precum și de derivații săi, cum ar fi toluenul, etilbenzenul și izomerii de xilen. Aceste molecule sunt separate în coloane de distilare, cu costuri energetice globale combinate de aproximativ 50 GW, suficiente pentru a alimenta aproximativ 40 de milioane de case.

izomerii xilenului sunt molecule cu mici diferențe structurale unele față de altele care duc la proprietăți chimice diferite. Un izomer, para-xilen (sau p-xilen), este cel mai de dorit pentru producerea polimerilor precum polietilen tereftalat (PET) și poliester; mai mult de 8 kilograme de P-xilen sunt produse pe cap de locuitor în fiecare an în Statele Unite. Dimensiunea similară și punctele de fierbere ale diferiților izomeri de xilen le fac dificil de separat prin metode convenționale, cum ar fi distilarea.

progresele în membrane sau sorbenți ar putea reduce intensitatea energetică a acestor procese. În ceea ce privește alte procese chimice la scară industrială, implementarea tehnologiilor alternative pentru separarea derivaților de benzen va necesita ca viabilitatea lor să fie dovedită pe scări succesiv mai mari înainte de implementarea comercială. Construirea unei uzine chimice poate costa 1 miliard de dolari sau mai mult, astfel încât investitorii vor să fie siguri că o tehnologie va funcționa înainte de a construi o nouă infrastructură.

urme de contaminanți din apă. Desalinizarea – fie prin distilare, fie prin filtrare cu membrană — este intensivă din punct de vedere energetic și al capitalului, ceea ce o face imposibilă în multe zone uscate. Distilarea nu este răspunsul: termodinamica definește cantitatea minimă de energie necesară pentru a genera apă potabilă din apa de mare, iar distilarea folosește de 50 de ori mai multă energie decât această limită fundamentală.

filtrarea prin osmoză inversă, un proces care aplică presiune pe o membrană apei sărate pentru a produce apă pură, necesită doar 25% mai multă energie decât limita termodinamică5. Dar membranele cu osmoză inversă procesează apa la viteze limitate, necesitând plante mari și costisitoare pentru a produce un debit suficient. Osmoza inversă a apei de mare se face deja la scară comercială în Orientul Mijlociu și Australia. Dar dificultățile practice de manipulare a apei mai poluate – inclusiv coroziunea, formarea biofilmelor, scalarea și depunerea particulelor — înseamnă că sunt necesare și sisteme scumpe de pretratare.

dezvoltarea membranelor care sunt mai productive și mai rezistente la murdărire ar reduce costurile de funcționare și de capital ale sistemelor de desalinizare până la punctul în care tehnica este viabilă din punct de vedere comercial chiar și pentru sursele de apă foarte poluate.

pașii următori

cercetătorii academici și factorii de decizie politică ar trebui să se concentreze asupra următoarelor aspecte.în primul rând, cercetătorii și inginerii trebuie să ia în considerare amestecuri chimice realiste. Majoritatea studiilor academice se concentrează pe substanțe chimice unice și deduc comportamentul amestecurilor folosind aceste informații. Această abordare riscă să lipsească fenomenele care apar numai în amestecurile chimice și ignoră rolul urmelor contaminanți. Academicienii și liderii în cercetarea și dezvoltarea industrială ar trebui să stabilească amestecuri proxy pentru separări comune care să includă principalele componente chimice și contaminanții comuni.în al doilea rând, economia și durabilitatea oricărei tehnologii de separare trebuie evaluate în contextul unui întreg proces chimic. Ar trebui utilizate valori de performanță, cum ar fi costul pe kilogram de produs și consumul de energie pe kilogram. Durata de viață și costurile de înlocuire ale componentelor, cum ar fi modulele cu membrană sau materialele sorbente, trebuie luate în considerare.

În al treilea rând, trebuie să se acorde o atenție serioasă la începutul dezvoltării tehnologiei la scara la care este necesară implementarea. Infrastructura fizică, cum ar fi paturile de testare academice și industriale, va fi necesară pentru a duce noile tehnologii de la laborator la scări pilot, astfel încât orice risc perceput să poată fi redus. Gestionarea acestui lucru va necesita colaborarea mediului academic, a agențiilor guvernamentale și a partenerilor din industrie.în al patrulea rând, formarea actuală a inginerilor chimici și a chimiștilor în separări pune adesea un accent puternic pe distilare. Expunerea la alte operațiuni — cum ar fi adsorbția, cristalizarea și membranele — este crucială pentru dezvoltarea unei forțe de muncă capabile să implementeze întregul spectru de tehnologii de separare pe care viitorul le va necesita.