de flesta industriella kemister tillbringar sina dagar med att separera komponenterna i stora mängder kemiska blandningar i rena eller renare former. De processer som är involverade, såsom destillation, står för 10-15% av världens energiförbrukning1, 2.

metoder för att rena kemikalier som är mer energieffektiva kan, om de tillämpas på den amerikanska olje -, Kemi-och papperstillverkningssektorerna, Spara 100 miljoner ton koldioxidutsläpp och US$4 miljarder i energikostnader årligen3 (se ’minska kostnaderna’). Andra metoder skulle göra det möjligt att utnyttja nya materialkällor, till exempel genom att extrahera metaller från havsvatten.

tyvärr är alternativ till destillation, såsom att separera molekyler enligt deras kemiska egenskaper eller storlek, underutvecklade eller dyra att skala upp. Ingenjörer inom industri och akademi behöver utveckla bättre och billigare membran och andra sätt att separera blandningar av kemikalier som inte är beroende av värme.

här lyfter vi fram sju kemiska separationsprocesser som, om de förbättras, skulle skörda stora globala fördelar. Vår lista är inte uttömmande; nästan alla kommersiella kemikalier härrör från en separationsprocess som kan förbättras.

sju separationer

kolväten från råolja. Huvudingredienserna för tillverkning av fossila bränslen, plast och polymerer är kolväten. Varje dag bearbetar raffinaderier runt om i världen cirka 90 miljoner fat råolja — ungefär 2 liter för varje person på planeten. De flesta gör det med atmosfärisk destillation, som förbrukar cirka 230 gigawatt (GW) globalt3, vilket motsvarar Storbritanniens totala energiförbrukning 2014 eller ungefär hälften av Texas. I ett typiskt raffinaderi värms 200 000 fat råolja per dag i 50 meter höga kolonner för att frigöra tusentals föreningar enligt deras kokpunkter. Lätta gaser dyker upp på den svala toppen (vid cirka 20 kcal C); progressivt tyngre vätskor lämnar vid lägre och varmare punkter (upp till 400 kcal C).

att hitta ett alternativ till destillation är svårt eftersom råolja innehåller många komplexa molekyler, vissa med höga viskositeter och otaliga föroreningar, inklusive svavelföreningar och metaller som kvicksilver och nickel. Det är i princip möjligt att separera kolväten enligt deras molekylära egenskaper, såsom kemisk affinitet eller molekylstorlek. Membranbaserade separationsmetoder, eller andra icke-termiska, kan vara en storleksordning mer energieffektiv än värmestyrda separationer som använder destillation. Men lite forskning har gjorts.

forskare behöver hitta material som kan separera många molekylfamiljer samtidigt och som arbetar vid de höga temperaturer som behövs för att hålla tunga oljor flytande utan att bli blockerade av föroreningar.

uran från havsvatten. Kärnkraft kommer att vara avgörande för framtida koldioxidsnål energiproduktion. Även om kärnkraftsindustrins bana är osäker kan kända geologiska reserver av uran (4,5 miljoner ton) vid nuvarande konsumtionshastigheter vara ett sekel4. Mer än 4 miljarder ton uran finns i havsvatten på Del-per-miljarder nivåer.

forskare har sökt sätt att separera uran från havsvatten4 i årtionden. Det finns material som kan fånga uran, såsom porösa polymerer innehållande amidoximgrupper. Men dessa molekylära ’burar’ fångar också andra metaller, inklusive vanadin, kobolt och nickel.

kemister behöver utveckla processer för att avlägsna dessa metaller medan de renar och koncentrerar uran från havsvatten. 1999-2001 fångade japanska lag cirka 350 gram uran med hjälp av ett adsorbent fabric4. Att starta ett nytt kärnkraftverk kräver hundratals ton uranbränsle, så omfattningen av dessa processer skulle behöva ökas kraftigt. I synnerhet behövs ansträngningar för att minska kostnaderna för adsorberande material.

liknande tekniker kan fånga andra värdefulla metaller4, såsom litium, som används i batterier. Mängden litium upplöst i oceanerna är tio gånger större än i kända landbaserade resurser; den begränsade storleken på den senare kan bli ett långsiktigt hinder för energilagring.

alkener från alkaner. Tillverkning av plast som polyeten och polypropen kräver alkener — kolväten som eten och propen, även känd som olefiner. Den globala årliga produktionen av eten och propen överstiger 200 miljoner ton, cirka 30 kg för varje person på planeten. Den industriella separationen av eten från etan är vanligtvis beroende av högtryckskryogen destillation vid temperaturer så låga som -160 C. rening av propen och eten ensam står för 0.3% av den globala energianvändningen, ungefär motsvarande Singapores årliga energiförbrukning.

som med råolja, att hitta separationssystem som inte kräver förändringar från en fas till en annan kan minska med en faktor tio processens energiintensitet (energi som används per volymenhet eller produktvikt) och kompensera koldioxidutsläppen med en liknande mängd5. Till exempel utvecklas porösa kolmembran som kan separera gasformiga alkener och alkaner (även kallade paraffiner) vid rumstemperatur och vid milda Tryck (mindre än 10 bar)6. Men dessa kan ännu inte producera mer än 99,9% rena alkener som behövs för tillverkning av kemikalier.

på kort sikt kan ’hybrid’ – separationstekniker hjälpa-membran kan användas för bulkseparation och kryogen destillation för ’polering’ av produkten. Sådana tillvägagångssätt skulle minska energiintensiteten för alkenproduktion med en faktor 2 eller 3 tills membran blir tillräckligt bra för att ersätta destillation helt. Ett stort hinder är att skala upp membranen-industrin kan kräva ytor på upp till 1 miljon kvadratmeter. Utbyggnad på denna skala kommer att kräva nya tillverkningsmetoder samt framsteg i materialens egenskaper.

växthusgaser från utspädda utsläpp. Antropogena utsläpp av CO2 och andra kolväten, såsom metan som frigörs från raffinaderier och brunnar, är viktiga bidragsgivare till den globala klimatförändringen. Det är dyrt och tekniskt svårt att fånga upp dessa gaser från utspädda källor som kraftverk, raffinaderiavgaser och luft.

vätskor som monoetanolamin reagerar lätt med CO2, men eftersom värme måste appliceras för att avlägsna CO2 från den resulterande vätskan är processen inte ekonomiskt lönsam för kraftverk. Om tillvägagångssättet tillämpades på varje kraftverk i USA kan CO2-fångst kosta 30% av landets tillväxt i bruttonationalprodukt varje år7. Billigare metoder för att fånga CO2-och kolväteutsläpp med minimala energikostnader måste utvecklas.

en komplicerande faktor är att bestämma vad man ska göra med den renade produkten. CO2 kan användas i en råoljeproduktionsmetod som kallas förbättrad oljeåtervinning, eller i vertikalt jordbruk och som kemiska och bioraffinaderiråvaror. Men mänskliga aktiviteter avger så mycket av gasen8 att i praktiken mycket av det kommer att behöva lagras på lång sikt i underjordiska reservoarer, vilket väcker andra frågor.

sällsynta jordartsmetaller från malmer. De 15 lantanidmetallerna, eller sällsynta jordartsmetaller, används i magneter, i förnybar energiteknik och som katalysatorer i petroleumraffinering. Kompaktlysrör använder till exempel europium och terbium, och katalytiska omvandlare är beroende av cerium. Att producera sällsynta jordar ekonomiskt är ett problem med separation, inte tillgänglighet. Trots deras namn är de flesta elementen mycket rikligare i jordskorpan än guld, silver, platina och kvicksilver. Tyvärr finns sällsynta jordar i spårmängder i malmer och blandas ofta ihop eftersom de är kemiskt lika.

Separation av sällsynta jordartsmetaller från malmer kräver mekaniska tillvägagångssätt (såsom magnetisk och elektrostatisk separation) och kemisk bearbetning (såsom skumflotation). Dessa är ineffektiva: de måste strida mot de komplexa kompositionerna av minerade malmer, använda stora volymer kemikalier och producera mycket avfall och radioaktiva biprodukter. Förbättringar behövs verkligen.

återvinningen av sällsynta jordartsmetaller från kasserade produkter ökar. Skräddarsydda processer kan utformas eftersom de kemiska och fysiska kompositionerna av produkterna är väl definierade. En mängd olika metallurgiska och gasfasutvinningsmetoder har undersökts, men Återvunna sällsynta jordartsmetaller är ännu inte en del av de flesta försörjningskedjor9, 10. Forskning behövs för att minska den ekologiska effekten av viktiga föremål som innehåller sällsynta jordartsmetaller under hela deras livscykel.

bensenderivat från varandra. Försörjningskedjorna för många polymerer, plaster, fibrer, lösningsmedel och bränsletillsatser beror på bensen, ett cykliskt kolväte, liksom på dess derivat såsom toluen, etylbensen och xylenisomererna. Dessa molekyler separeras i destillationskolonner, med kombinerade globala energikostnader på cirka 50 GW, tillräckligt för att driva ungefär 40 miljoner hem.

isomererna av xylen är molekyler med små strukturella skillnader från varandra som leder till olika kemiska egenskaper. En isomer, para-xylen (eller p-xylen), är mest önskvärt för framställning av polymerer såsom polyetylentereftalat (PET) och polyester; mer än 8 kg p-xylen produceras per capita varje år i USA. De olika xylenisomerernas liknande storlek och kokpunkter gör dem svåra att separera med konventionella metoder såsom destillation.

framsteg i membran eller sorbenter kan minska energiintensiteten hos dessa processer. När det gäller andra kemiska processer i industriell skala kommer genomförandet av alternativ teknik för att separera bensenderivat att kräva att deras lönsamhet bevisas i successivt större skala före kommersiellt genomförande. Att bygga en kemisk anläggning kan kosta US$1 miljard eller mer, så investerare vill vara säkra på att en teknik kommer att fungera innan man bygger ny infrastruktur.

spåra föroreningar från vatten. Avsaltning – antingen genom destillation eller membranfiltrering — är energi-och kapitalintensiv, vilket gör det omöjligt i många torra områden. Destillation är inte svaret: termodynamik definierar den minsta mängd energi som behövs för att generera dricksvatten från havsvatten, och destillation använder 50 gånger mer energi än denna grundläggande gräns.

omvänd osmosfiltrering, en process som applicerar tryck över ett membran till saltvatten för att producera rent vatten, kräver endast 25% mer energi än den termodynamiska gränsen5. Men omvänd osmosmembran bearbetar vatten i begränsade hastigheter, vilket kräver stora, kostsamma växter för att producera ett tillräckligt flöde. Omvänd osmos av havsvatten görs redan på kommersiella skalor i Mellanöstern och Australien. Men de praktiska svårigheterna att hantera mer-förorenat vatten-inklusive korrosion, biofilmbildning, skalning och partikelavsättning — innebär att dyra förbehandlingssystem också behövs.

att utveckla membran som är mer produktiva och resistenta mot nedsmutsning skulle driva ner drift-och kapitalkostnaderna för avsaltningssystem till den punkten att tekniken är kommersiellt livskraftig för även mycket förorenade vattenkällor.

nästa steg

akademiska forskare och beslutsfattare bör fokusera på följande frågor.

först måste forskare och ingenjörer överväga realistiska kemiska blandningar. De flesta akademiska studier fokuserar på enskilda kemikalier och härleder beteendet hos blandningar med hjälp av denna information. Detta tillvägagångssätt riskerar att sakna fenomen som endast förekommer i kemiska blandningar och ignorerar spårföroreningarnas Roll. Akademiker och ledare inom industriell forskning och utveckling bör upprätta proxyblandningar för gemensamma separationer som inkluderar de viktigaste kemiska komponenterna och vanliga föroreningar.

För det andra måste ekonomin och hållbarheten hos någon separationsteknik utvärderas i samband med en hel kemisk process. Prestandamätningar som kostnad per kilo produkt och energianvändning per kilo bör användas. Livstids-och ersättningskostnaderna för komponenter som membranmoduler eller sorbentmaterial måste beaktas.

För det tredje måste man tidigt i teknikutvecklingen ta hänsyn till den omfattning vid vilken utplacering krävs. Fysisk infrastruktur som akademiska och industriellt drivna testbäddar kommer att behövas för att ta ny teknik från labbet till pilotvågar så att alla upplevda risker kan minskas. För att hantera detta krävs att akademi, myndigheter och branschpartners samarbetar.

För det fjärde lägger nuvarande utbildning av kemiska ingenjörer och kemister i separationer ofta stor vikt vid destillation. Exponering för andra operationer — såsom adsorption, kristallisering och membran — är avgörande för att utveckla en arbetskraft som kan implementera hela spektrumet av separationstekniker som framtiden kommer att kräva.