Entwicklung nachhaltiger Membranen für die Energie der Zukunft

Eine kürzlich erschienene Arbeit in Wissenschaft „Polytriazol-Membranen mit ultradünner abstimmbarer selektiver Schicht für die Rohölfraktionierung“ bieten eine innovative Membranentwicklungslösung für einzigartige industrielle Bedingungen wie die Kohlenwasserstofffraktionierung.

Verfasst von einer Gruppe von Wissenschaftlern unter der Leitung von Dr. Suzana Nunes, KAUST-Professorin für Chemie- und Umweltwissenschaften und -technik sowie Vizepräsidentin für Fakultäts- und akademische Angelegenheiten, hebt das Papier eine vielseitige Strategie zur Herstellung von Polytriazolmembranen für energieeffizientes Rohöl hervor Fraktionierung. Die Membranen sind auch wegen ihrer geringen CO2-Bilanz und ihrer Eignung zur Förderung der Kreislaufwirtschaft (CCE) von Vorteil.

„Ich arbeite seit mehr als zwanzig Jahren an Polytriazolmembranen“, sagte Nunes. „In diesem Artikel wurde der Ansatz von Dr. Stefan Chisca, Forschungswissenschaftler in unserem Labor, vorgeschlagen. Ich bin immer auf der Suche nach Polymeren, die Herausforderungen meistern können, die mit einer sehr einfachen Membran nicht möglich sind.“

Chisca ist auf die Entwicklung von Polymeren für Membrananwendungen spezialisiert, mit Schwerpunkt auf Trennverfahren mit minimalem Energieverbrauch. Bevor er zu KAUST kam, leitete Nunes die Membranforschung als Abteilungsleiter für Membranen für nachhaltige Energie in der deutschen Helmholtz-Gemeinschaft.

Während die meisten im Handel erhältlichen Membranen für Wasserumgebungen und Raumtemperatur gebaut sind, besteht eine einzigartige Herausforderung darin, stabile Membranen für rauere Bedingungen zu entwickeln, die durch erhöhte Temperaturen und eine breite Palette von organischen Lösungsmitteln und pH-Werten gekennzeichnet sind, wie z. B. bei der Ölfraktionierung.

Bewältigung der Trennungsherausforderung durch thermische Vernetzung

Ein entscheidendes, aber sehr energieintensives und kostspieliges Element, das der chemischen, pharmazeutischen und petrochemischen Industrie gemeinsam ist, ist der Trennprozess, der zur Reinigung von Lösungsmitteln und Chemikalien, zur Regulierung des Lösungsmittelaustauschs und zur Verwaltung von Katalysatoren erforderlich ist. Die gebräuchlichsten Trenntechniken umfassen Destillation, Adsorption, Verdampfung und Extraktion.

Die Membrantechnologie bietet eine kohlenstoffarme Alternative, die als nachhaltiger gilt. Diese Industrien finden es jedoch schwierig, herkömmliche Trennverfahren zu ersetzen, da sie Membranen benötigen würden, die strenge mechanische und thermische Stabilitätsanforderungen erfüllen würden, um eine schnelle physikalische Alterung und Verschlechterung zu verhindern.

„Die Umgebung ist bei Temperaturen von mehr als 100 Grad rau, und was Sie fraktionieren, könnte Ihre Membran auflösen“, sagte Nunes.

Sie wies auf die entscheidende Vernetzungsmethode unter Verwendung von Wärmebehandlung hin, die erforderlich ist, um die Membran darauf vorzubereiten, mit dem Rohöl zu interagieren, ohne sich vollständig aufzulösen. Für die Trennung komplexer nichtwässriger Gemische haben sich Polytriazolmembranen als besser geeignet erwiesen. Das KAUST-Team stellte Polytriazolmembranen mit 10 Nanometer dünnen selektiven Schichten her, die Kanäle im Subnanometerbereich für die Trennung von Kohlenwasserstoffen enthielten.

Unter Verwendung der Kombination aus thermischer Vernetzung in Verbindung mit der konventionellen Nicht-Lösungsmittel-induzierten Phasentrennung (NIPS) erwiesen sich die behandelten Polymermembranen als geeignet für äußerst anspruchsvolle chemische Trennverfahren. Die ultradünnen selektiven Schichten und einstellbaren Eigenschaften von Polytriazol-Membranen, wie z. B. Permeanzen, ermöglichen es ihnen, sich an eine Vielzahl anspruchsvoller flüssiger Beschickungen, starker Säuren und komplexer Mischungen, wie sie in Rohöl vorkommen, anzupassen.

Analytische Charakterisierung mit den Core Labs

Um die Membran- und Lösungsmittelwechselwirkungen sowie den chemischen Modifizierungsprozess durch thermische Behandlung besser zu verstehen, arbeitete das Team von Nunes mit Wissenschaftlern der KAUST Core Labs zusammen, um die Membran und das Öl selbst vollständig zu charakterisieren. Verschiedene spektroskopische und mikroskopische Methoden wurden verwendet, um die Morphologie der Membranen vor und nach der Vernetzung zu untersuchen und die Ölfraktionierung zu verfolgen, was zu einer vollständigen Charakterisierung der Eigenschaften führte.

„Unsere Arbeit mit den Core Labs war vom ersten Tag an hervorragend“, sagte Nunes. „Dies Wissenschaft Papier ist ein hervorragendes Beispiel. Alle Beteiligten sind von KAUST, von unserer Gruppe bis zu den Core Labs-Wissenschaftlern. Ich denke, es ist wichtig zu betonen, dass sie Wissenschaftler sind, die im Grenzbereich dieser Techniken ausgebildet sind. Das könnten wir alleine nicht schaffen.“

Nunes schreibt die Veröffentlichung der Forschungsergebnisse dieser Zusammenarbeit zu.

Bewerbungen für das Königreich

Nunes glaubt, dass die Membrantechnologie Saudi-Arabien helfen könnte, viel Energie zu sparen.

„Das Ziel und der Traum ist es, dass große regionale petrochemische Unternehmen die Membrantechnologie als Ersatz für einen Teil ihrer thermisch angetriebenen Trennverfahren einsetzen“, sagte Nunes. „Das ist der Grund, warum wir es tun. Es ist die Motivation.“

Ein großer Teil der Arbeit ihrer Gruppe besteht darin, die Vision zu fördern, Membranen zu entwickeln, die stabil genug sind, um in der chemischen und petrochemischen Industrie eingesetzt zu werden. Ziel ist es, eine praktikable Alternative zu klassischen Trennmethoden bereitzustellen, die eine Vielzahl von Schritten und Ressourcen erfordern. Nunes hofft auch auf direktere Interaktionen mit Akteuren der chemischen Industrie im Königreich, um ihre Bedürfnisse besser zu verstehen und mehr Feedback zu leistungsstarken Trenntechnologien zu erhalten, die in organischen Lösungsmitteln und bei erhöhten Temperaturen durchgeführt werden.

„Dies ist der erste Schritt in einer langen Geschichte“, sagte sie. „Es muss noch mehr getan werden, um die Membranproduktion zu steigern und die Technologie für den großtechnischen, nicht-wässrigen industriellen Einsatz weithin akzeptiert zu machen.“

Am Horizont sieht Nunes die Membrantechnologie auch als eine praktikable Lösung, um die aktuellen Bemühungen zur Minimierung von Kohlendioxidemissionen zu unterstützen, indem das Problem am Anfang der industriellen Wertschöpfungskette angegangen wird.

„Ich denke, es ist viel effektiver, einen Teil des in der chemischen Industrie verwendeten Prozesses zu ersetzen, der einen sehr hohen CO2-Fußabdruck verursacht“, sagte sie. „Wenn neue Anlagen, die in Saudi-Arabien gebaut werden, von Anfang an neuartige und nachhaltigere membranbasierte Trennverfahren integrieren können, wird dies einen großen Beitrag zur Kohlenstoffkreislaufwirtschaft leisten.“