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Un filtro che si intasa, di solito, è un guaio da risolvere in fretta. Nel caso della raffinazione del petrolio, invece, potrebbe diventare la chiave per abbattere consumi e costi di uno dei processi industriali più energivori al mondo. Un gruppo di ricercatori ha messo a punto una membrana capace di separare il greggio a temperatura ambiente, sfruttando proprio le molecole del petrolio per creare minuscoli canali di filtrazione. Le simulazioni parlano di un taglio dell’energia necessaria vicino al 32%, di emissioni di anidride carbonica ridotte quasi del 38% e di costi operativi più bassi del 36%.
Il lavoro internazionale è stato guidato dal professor Dong Yeun Koh del KAIST, il Korea Advanced Institute of Science and Technology, insieme al gruppo di ricerca del professor Ryan Lively del Georgia Tech. I risultati sono stati pubblicati su Nature. Il tema non riguarda solo benzina e carburanti, perché dal greggio arrivano anche le materie prime per plastica, imballaggi, abbigliamento e tanti oggetti di uso quotidiano. Rendere più efficiente il processo significa quindi incidere anche sui prezzi di questi materiali.
Perché la distillazione consuma così tanto
Da oltre un secolo le raffinerie si affidano alla distillazione. Il petrolio viene scaldato oltre i 350 °C, una parte diventa vapore e poi, raffreddando quei vapori, si raccolgono le diverse frazioni. Un metodo collaudato ma che divora energia: a livello globale la distillazione del greggio assorbe circa 1.100 terawattora all’anno, più o meno quanto producono in un anno circa 130 centrali nucleari da un gigawatt ciascuna, sempre in funzione.
Le membrane rappresentano da tempo un’alternativa interessante, visto che separano le sostanze senza bisogno di temperature estreme. Finora però si dava per scontato che servisse un rivestimento sottilissimo e molto specializzato per ottenere una separazione precisa a livello molecolare. Strati del genere costano parecchio e tendono a presentare difetti quando vengono prodotti su larga scala, cosa che ne ha frenato la diffusione nell’industria.
Quando l’intasamento diventa un vantaggio
I ricercatori coreani e statunitensi hanno scelto una strada diversa. Niente rivestimenti complicati, ma una membrana nuda in poliacrilonitrile poroso, un polimero economico e chimicamente stabile già usato come supporto nei sistemi di filtrazione industriale. Facendo passare il greggio, è successo qualcosa di inatteso. Le molecole di idrocarburi più pesanti si sono accumulate lungo le pareti interne dei pori, restringendo gradualmente le aperture fino a formare canali larghi meno di 2 nanometri. In pratica è stato il petrolio stesso a costruire i passaggi necessari per separare i propri componenti.
Attraverso questi canali le frazioni leggere come nafta, benzina e cherosene scorrono rapidamente, mentre quelle pesanti fanno molta più fatica. La sorpresa sta nel fatto che questo accumulo, chiamato fouling, viene normalmente considerato un problema serio che peggiora la filtrazione e obbliga a pulire o sostituire il filtro. Qui invece ha reso la membrana estremamente selettiva. Il flusso di greggio ottenuto è risultato circa 23 volte superiore rispetto alle migliori membrane precedenti, con prestazioni stabili per 28 giorni consecutivi. Secondo Lively la produttività delle unità a membrana era uno dei limiti principali, e questo meccanismo la aumenta al punto che l’industria dovrebbe valutare seriamente di adottare la tecnologia.
Impianti esistenti e nuovi campi di applicazione
Uno dei punti di forza è che le raffinerie non dovrebbero per forza sostituire i loro impianti. La membrana potrebbe essere installata come sistema modulare a monte della distillazione tradizionale, alleggerendo il lavoro delle fasi di riscaldamento. Le simulazioni indicano un calo dei consumi energetici del 31,6%, delle emissioni di CO2 del 37,6%, dell’acqua di raffreddamento del 20,7% e dei costi operativi del 36%. Applicato all’intero settore della raffinazione e della petrolchimica in Corea, il sistema potrebbe evitare circa 10 milioni di tonnellate di gas serra all’anno, quanto emettono quattro milioni di auto a combustione. Si tratta comunque di stime basate su simulazioni e non di risultati già misurati in impianti operativi.
La stessa tecnologia potrebbe servire anche per trattare l’olio di pirolisi ricavato dal riciclo della plastica, recuperare i solventi usati nella produzione di batterie, purificare composti farmaceutici e migliorare i biocarburanti. Koh ha spiegato che lo studio rivela un nuovo principio scientifico, in cui una membrana interagisce con una miscela complessa e forma da sola i propri canali di separazione, e che i test con greggio reale fornito da HD Hyundai Oilbank hanno permesso di validarla in condizioni vicine a quelle industriali. Il prossimo passo sarà migliorare la produzione su grandi superfici e verificarne l’affidabilità nel lungo periodo, come ha sottolineato il professor Jae W. Lee del KAIST. La ricerca è stata sostenuta dal Ministero della Scienza e delle ICT coreano.
Fonte: TecnoAndroid