Die Trennung von Rohöl in Produkte wie Benzin, Diesel und Heizöl ist ein energieintensiver Prozess, der etwa 6 Prozent des weltweiten CO2 Emissionen. Der größte Teil dieser Energie fließt in die Wärme, die benötigt wird, um die Komponenten nach ihrem Siedepunkt zu trennen.

In einem Fortschritt, der den Energiebedarf für die Rohölfraktionierung drastisch reduzieren könnte, haben MIT-Ingenieure eine Membran entwickelt, die die Bestandteile des Rohöls nach ihrer Molekülgröße filtert.

"Dies ist eine ganz neue Art, sich einen Trennungsprozess vorzustellen. Anstatt Mischungen zu kochen, um sie zu reinigen, warum trennen Sie die Komponenten nicht nach Form und Größe? Die wichtigste Innovation besteht darin, dass die von uns entwickelten Filter sehr kleine Moleküle auf einer atomistischen Längenskala trennen können", sagt Zachary P. Smith, außerordentlicher Professor für Chemieingenieurwesen am MIT und leitender Autor der neuen Studie.

Die neue Filtrationsmembran kann schwere und leichte Bauteile effizient vom Öl trennen und ist resistent gegen die Quellung, die bei anderen Arten von Ölabscheidemembranen auftritt. Bei der Membran handelt es sich um eine dünne Folie, die mit einer Technik hergestellt werden kann, die in industriellen Prozessen bereits weit verbreitet ist, so dass sie möglicherweise für eine breite Anwendung skaliert werden kann.

Taehoon Lee, ein ehemaliger Postdoc am MIT und jetzt Assistenzprofessor an der Sungkyunkwan Universität in Südkorea, ist der Hauptautor der Studie, die heute in Science erscheint.

Öl-Fraktionierung

Konventionelle wärmebetriebene Verfahren zur Fraktionierung von Rohöl machen etwa 1 Prozent des weltweiten Energieverbrauchs aus, und es wird geschätzt, dass der Einsatz von Membranen für die Rohölabscheidung den Energiebedarf um etwa 90 Prozent reduzieren könnte. Damit dies gelingt, muss eine Trennmembran Kohlenwasserstoffe schnell passieren lassen und Verbindungen unterschiedlicher Größe selektiv filtern.

Bisher konzentrierten sich die meisten Bemühungen zur Entwicklung einer Filtrationsmembran für Kohlenwasserstoffe auf Polymere mit intrinsischer Mikroporosität (PIMs), darunter ein Polymer mit der Bezeichnung PIM-1. Obwohl dieses poröse Material einen schnellen Transport von Kohlenwasserstoffen ermöglicht, neigt es dazu, einige der organischen Verbindungen beim Durchgang durch die Membran übermäßig zu absorbieren, was dazu führt, dass die Folie aufquillt, was ihre Größensiebfähigkeit beeinträchtigt.

Um eine bessere Alternative zu finden, beschloss das MIT-Team, Polymere zu modifizieren, die für die Umkehrosmose-Wasserentsalzung verwendet werden. Seit ihrer Einführung in den 1970er Jahren haben Umkehrosmosemembranen den Energieverbrauch der Entsalzung um etwa 90 Prozent gesenkt – eine bemerkenswerte industrielle Erfolgsgeschichte.

Die am häufigsten verwendete Membran für die Wasserentsalzung ist ein Polyamid, das mit einem Verfahren hergestellt wird, das als Grenzflächenpolymerisation bekannt ist. Bei diesem Prozess bildet sich an der Grenzfläche zwischen Wasser und einem organischen Lösungsmittel wie Hexan ein dünner Polymerfilm. Wasser und Hexan vermischen sich normalerweise nicht, aber an der Grenzfläche zwischen ihnen kann eine kleine Menge der darin gelösten Verbindungen miteinander reagieren.

In diesem Fall reagiert ein hydrophiles Monomer namens MPD, das in Wasser gelöst ist, mit einem hydrophoben Monomer namens TMC, das in Hexan gelöst ist. Die beiden Monomere sind durch eine Verbindung, die als Amidbindung bekannt ist, miteinander verbunden und bilden an der Wasser-Hexan-Grenzfläche einen Polyamid-Dünnfilm (MPD-TMC).

MPD-TMC ist zwar sehr effektiv für die Wasserentsalzung, verfügt aber nicht über die richtigen Porengrößen und Quellbeständigkeit, die es ihm ermöglichen würden, Kohlenwasserstoffe abzuscheiden.

Um das Material so anzupassen, dass es die im Erdöl enthaltenen Kohlenwasserstoffe abtrennt, modifizierten die Forscher zunächst die Folie, indem sie die Bindung, die die Monomere verbindet, von einer Amidbindung zu einer Iminbindung veränderten. Diese Bindung ist steifer und hydrophobier, wodurch sich Kohlenwasserstoffe schnell durch die Membran bewegen können, ohne dass die Folie im Vergleich zum Polyamid-Gegenstück merklich aufquillt.

"Das Polyimin-Material hat eine Porosität, die sich an der Grenzfläche bildet, und aufgrund der Vernetzungschemie, die wir hinzugefügt haben, haben Sie jetzt etwas, das nicht aufquillt", sagt Smith. "Man stellt es in der Ölphase her, reagiert es an der Wassergrenzfläche, und mit den Vernetzungen ist es jetzt immobilisiert. Und so quellen diese Poren, selbst wenn sie Kohlenwasserstoffen ausgesetzt sind, nicht mehr auf wie andere Materialien."

Die Forscher führten auch ein Monomer namens Triptycen ein. Dieses formbeständige, molekularselektive Molekül hilft den resultierenden Polyiminen weiter, Poren zu bilden, die die richtige Größe haben, damit Kohlenwasserstoffe hindurchpassen.

Dieser Ansatz stellt "einen wichtigen Schritt zur Reduzierung des industriellen Energieverbrauchs dar", sagt Andrew Livingston, Professor für Chemieingenieurwesen an der Queen Mary University of London, der nicht an der Studie beteiligt war.

"Diese Arbeit nimmt die Arbeitspferd-Technologie der Membranentsalzungsindustrie, die Grenzflächenpolymerisation, und schafft einen neuen Weg, sie auf organische Systeme wie Kohlenwasserstoff-Rohstoffe anzuwenden, die derzeit große Teile der globalen Energie verbrauchen", sagt Livingston. "Der einfallsreiche Ansatz mit einem Grenzflächenkatalysator, der an hydrophobe Monomere gekoppelt ist, führt zu Membranen mit hoher Permeanz und ausgezeichneter Selektivität, und die Arbeit zeigt, wie diese in relevanten Trennungen eingesetzt werden können."

Effiziente Trennung

Als die Forscher die neue Membran zur Filtration eines Gemisches aus Toluol und Triisopropylbenzol (TIPB) als Benchmark für die Bewertung der Trennleistung verwendeten, konnte eine Konzentration von Toluol erreicht werden, die 20-mal höher war als die Konzentration in der ursprünglichen Mischung. Außerdem testeten sie die Membran mit einem industriell relevanten Gemisch aus Naphtha, Kerosin und Diesel und stellten fest, dass es die schwereren und leichteren Verbindungen anhand ihrer Molekülgröße effizient trennen kann.

Wenn sie für den industriellen Einsatz angepasst werden, könnte eine Reihe dieser Filter verwendet werden, um bei jedem Schritt eine höhere Konzentration der gewünschten Produkte zu erzeugen, sagen die Forscher.

"Man kann sich vorstellen, dass man mit einer Membran wie dieser eine erste Stufe haben könnte, die eine Rohölfraktionierungskolonne ersetzt. Man könnte schwere und leichte Moleküle aufteilen und dann verschiedene Membranen in einer Kaskade verwenden, um komplexe Mischungen zu reinigen und die Chemikalien zu isolieren, die man benötigt", sagt Smith.

Die Grenzflächenpolymerisation wird bereits häufig zur Herstellung von Membranen für die Wasserentsalzung eingesetzt, und die Forscher glauben, dass es möglich sein sollte, diese Prozesse für die Massenproduktion der in dieser Studie entwickelten Filme anzupassen.

"Der Hauptvorteil der Grenzflächenpolymerisation besteht darin, dass sie bereits eine etablierte Methode zur Vorbereitung von Membranen für die Wasserreinigung ist, so dass man sich vorstellen kann, diese Chemikalien einfach in bestehende Produktionslinien zu übernehmen", sagt Lee.

Die Forschung wurde zum Teil von ExxonMobil über die MIT Energy Initiative finanziert.