Une nouvelle technologie membranaire pourrait réduire les émissions de carbone et l'intensité énergétique associées au raffinage du pétrole brut. Le professeur agrégé de Georgia Tech Ryan Lively montre un module contenant le nouveau matériau de la membrane, tandis que le professeur M.G. Finn détient des flacons contenant certains des autres polymères utilisés dans cette étude. Crédit :Christopher Moore, Géorgie Tech
Nouvelle technologie membranaire développée par une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology, Collège impérial de Londres, et ExxonMobil pourrait aider à réduire les émissions de carbone et l'intensité énergétique associées au raffinage du pétrole brut. Des tests en laboratoire suggèrent que cette technologie de membrane polymère pourrait remplacer à l'avenir certains procédés conventionnels de distillation à base de chaleur.
Le fractionnement de mélanges de pétrole brut par distillation thermique est une opération à grande échelle, procédé énergivore qui représente près de 1% de la consommation énergétique mondiale :1, 100 térawattheures par an (TWh/an), ce qui équivaut à l'énergie totale consommée par l'État de New York en un an. En substituant les membranes basse énergie à certaines étapes du processus de distillation, la nouvelle technologie pourrait un jour permettre la mise en œuvre d'un système de raffinage hybride qui pourrait aider à réduire considérablement les émissions de carbone et la consommation d'énergie par rapport aux processus de raffinage traditionnels.
"Une grande partie de nos vies modernes vient du pétrole, donc la séparation de ces molécules rend possible notre civilisation moderne, " dit M.G. Finn, professeur et président de l'École de chimie et de biochimie de Georgia Tech. Finn est également titulaire de la chaire de la famille James A. Carlos pour la technologie pédiatrique. "L'échelle de la séparation requise pour fournir les produits que nous utilisons est incroyablement grande. Cette technologie membranaire pourrait avoir un impact significatif sur la consommation mondiale d'énergie et les émissions résultantes du traitement du pétrole."
À paraître dans le numéro du 17 juillet de la revue Science , l'article est considéré comme le premier rapport d'une membrane synthétique spécialement conçue pour la séparation du pétrole brut et des fractions de pétrole brut. Des travaux de recherche et de développement supplémentaires seront nécessaires pour faire progresser cette technologie à l'échelle industrielle.
La technologie membranaire est déjà largement utilisée dans des applications telles que le dessalement de l'eau de mer, mais la complexité du raffinage du pétrole a jusqu'à présent limité l'utilisation des membranes. Pour surmonter ce défi, l'équipe de recherche a développé un nouveau polymère spirocyclique qui a été appliqué à un substrat robuste pour créer des membranes capables de séparer des mélanges d'hydrocarbures complexes par l'application de pression plutôt que de chaleur.
Kirstie Thompson et Ronita Mathias, assistantes de recherche diplômées de Georgia Tech, avec un flacon contenant des matériaux polymères utilisés pour créer une nouvelle technologie de membrane qui pourrait réduire les émissions de carbone et l'intensité énergétique associées au raffinage du pétrole brut. Crédit :Christopher Moore, Géorgie Tech
Les membranes séparent les molécules des mélanges en fonction de différences telles que la taille et la forme. Lorsque les molécules sont de taille très proche, cette séparation devient plus difficile. En utilisant un procédé bien connu pour faire des liaisons entre les atomes d'azote et de carbone, les polymères ont été construits en connectant des blocs de construction ayant une structure pliée pour créer des matériaux désordonnés avec des espaces vides intégrés.
L'équipe a réussi à équilibrer une variété de facteurs pour créer la bonne combinaison de solubilité - pour permettre aux membranes d'être formées par un traitement simple et évolutif - et de rigidité structurelle - pour permettre à certaines petites molécules de passer plus facilement que d'autres. De façon inattendue, les chercheurs ont découvert que les matériaux avaient besoin d'une petite quantité de flexibilité structurelle pour améliorer la discrimination de taille, ainsi que la capacité d'être légèrement "collant" envers certains types de molécules que l'on trouve en abondance dans le pétrole brut.
Après avoir conçu les nouveaux polymères et obtenu un certain succès avec une essence synthétique, carburéacteur, et mélange de carburant diesel, l'équipe a décidé d'essayer de séparer un échantillon de pétrole brut et a découvert que la nouvelle membrane était assez efficace pour récupérer l'essence et le carburéacteur du mélange complexe.
"On essayait au départ de fractionner un mélange de molécules trop similaires, " a déclaré Ben McCool, un associé de recherche principal chez ExxonMobil et l'un des co-auteurs de l'article. « Quand nous avons adopté un flux plus complexe, huile brute, nous avons eu un fractionnement qui semblait provenir d'une colonne de distillation, indiquant le grand potentiel du concept."
Les chercheurs ont travaillé en collaboration, avec des polymères conçus et testés chez Georgia Tech, puis converti en films de 200 nanomètres d'épaisseur, et incorporés dans des modules membranaires à l'Impériale à l'aide d'un processus de rouleau à rouleau. Les échantillons ont ensuite été testés dans les trois organisations, fournir une confirmation multi-laboratoires des capacités de la membrane.
Kirstie Thompson et Ronita Mathias, assistantes de recherche diplômées de Georgia Tech, avec un échantillon d'un nouveau matériau de membrane qui pourrait réduire les émissions de carbone et l'intensité énergétique associées au raffinage du pétrole brut. Crédit :Christopher Moore, Géorgie Tech
"Nous avons l'expérience fondamentale d'apporter la nanofiltration de solvant organique, une technologie membranaire de plus en plus utilisée dans les industries pharmaceutiques et chimiques, au marché, " a déclaré Andrew Livingston, professeur de génie chimique à l'Impériale. "Nous avons beaucoup travaillé avec ExxonMobil et Georgia Tech pour démontrer le potentiel d'évolutivité de cette technologie aux niveaux requis par l'industrie pétrolière."
L'équipe de recherche a créé un pipeline d'innovation qui s'étend de la recherche fondamentale à la technologie pouvant être testée dans des conditions réelles.
"Nous avons réuni la science fondamentale et la chimie, fondamentaux appliqués à la fabrication de membranes, et l'analyse technique du fonctionnement des membranes, " a déclaré Ryan Lively, professeur agrégé et membre du corps professoral John H. Woody à l'École de génie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech. « Nous avons pu passer de poudres à l'échelle du milligramme à des prototypes de modules membranaires dans des facteurs de forme commerciaux qui étaient confrontés à du vrai pétrole brut. C'était fantastique de voir ce pipeline d'innovation en action. »
La relation d'ExxonMobil avec Georgia Tech remonte à près de 15 ans et a produit des innovations dans d'autres technologies de séparation, y compris une nouvelle membrane de tamis moléculaire à base de carbone qui pourrait réduire considérablement l'énergie requise pour séparer une classe de molécules d'hydrocarbures connues sous le nom d'alkylaromatiques.
"Grâce à une collaboration avec de solides institutions académiques telles que Georgia Tech et Imperial, nous travaillons en permanence pour développer les solutions énergétiques à faibles émissions du futur, " a déclaré Vijay Swarup, vice-président de la recherche et du développement chez ExxonMobil Research and Engineering Company.
