Naftos perdirbimą gali pakeisti „molekuliniai sietai“ – Kinijos mokslininkai skelbia apie 91 proc. mažesnes energijos sąnaudas

Naftos perdirbimo gamyklos dešimtmečius remiasi procesu, kurio principas iš esmės gana paprastas – mišinys kaitinamas, skirtingos jo sudedamosios dalys garuoja skirtingoje temperatūroje, o vėliau garai kondensuojami ir atskiriami. Problema ta, kad visam tam reikia milžiniško energijos kiekio. Kinijos mokslininkai dabar parodė visiškai kitą kelią: užuot nuolat kaitinus ir vėsinus angliavandenilių mišinį, jo molekules būtų galima rūšiuoti naudojant itin tiksliai sukonstruotas membranas.

Daliano cheminės fizikos instituto ir kitų Kinijos mokslinių institucijų tyrėjai sukūrė kelių pakopų membranų sistemą, kuri veikia tarsi molekulinio dydžio sietas. Eksperimente ji sugebėjo 15 skirtingų angliavandenilių turintį lengvosios naftos frakcijos modelinį mišinį atskirti į tris skirtingoms pramonės reikmėms tinkamas produktų grupes. Kiekvienos grupės išgavimo rodiklis siekė maždaug 85–90 proc., o proceso modeliavimo rezultatai parodė, kad tam tikru atveju energijos poreikis galėtų būti maždaug 91 proc. mažesnis nei naudojant tradicinį distiliavimą. Tyrimas rugpjūtį paskelbtas žurnale „National Science Review“.

Skaičius atrodo beveik neįtikėtinas, tačiau čia būtina viena svarbi išlyga. Mokslininkai kol kas nepakeitė visos naftos perdirbimo gamyklos membranų sistema ir neperdirbo milijonų tonų žalios naftos. Jie tyrė konkrečią naftos perdirbimo grandinės dalį – lengvosios naftos frakcijos molekulinį atskyrimą. Todėl kalbėti apie jau įvykusią naftos pramonės revoliuciją būtų per anksti. Vis dėlto pats principas rodo, kodėl membranos šioje srityje sulaukia tiek daug dėmesio.

Vietoje milžiniško kiekio šilumos – poros, kurių dydis matuojamas nanometro dalimis

Lengvoji nafta yra svarbi naftos perdirbimo ir chemijos pramonės žaliava. Joje yra įvairių C5–C7 angliavandenilių: tiesinės grandinės alkanų, šakotųjų alkanų, ciklinių junginių ir aromatinių angliavandenilių. Vienos molekulės naudingos kaip žaliava etilenui gaminti, kitos vertingos chemijos pramonėje, o dar kitos tinkamos didesnio oktaninio skaičiaus benzino komponentams.

Problema ta, kad daugelio šių molekulių fizikinės ir cheminės savybės yra labai panašios. Kai kurių jų dydžiai skiriasi vos 0,01–0,03 nanometro. Tradiciniame procese tokiems mišiniams atskirti dažnai reikia daug energijos sunaudojančių distiliavimo etapų. Kinijos mokslininkai pabandė apeiti šią problemą ne dar labiau tobulindami kaitinimą, o sukurdami membranas, gebančias atskirti pačias molekules.

Membranų pagrindą sudaro vadinamosios metalo-organinės struktūros, arba MOF. Paprastai tariant, tai itin porėtos medžiagos, kurių porų dydį ir chemines savybes galima kontroliuoti beveik molekuliniu tikslumu. Šiame tyrime buvo naudojama CuBTC struktūra, kurios paviršius ir poros buvo koreguojamos švelniai apdorojant tanino rūgštimi. Taip mokslininkai pagamino skirtingas užduotis atliekančias membranas.

Pirmasis etapas molekules rūšiavo daugiausia pagal jų dydį. Tiesinės ir vieną šaką turinčios alkanų molekulės buvo atskiriamos nuo labiau išsišakojusių, ciklinių ir aromatinių junginių. Čia molekulių dydžio skirtumas buvo maždaug 0,08–0,12 nanometro.

Antrasis etapas buvo dar sudėtingesnis. Jame reikėjo atskirti aromatinius junginius nuo kitų molekulių, kurių dydžiai skyrėsi vos keliomis šimtosiomis nanometro dalimis. Vien dydžio jau nepakako, todėl membranos buvo sukurtos taip, kad molekules skirtų ir pagal jų cheminę sąveiką su paviršiumi.

Rezultatas primena ne vieną didelį filtrą, o kelis iš eilės sustatytus labai specializuotus sietus. Kiekvienas jų atlieka skirtingą darbą ir palaipsniui iš sudėtingo mišinio išrenka pageidaujamas molekules.

15 medžiagų mišinį pavyko padalyti į tris vertingus produktų srautus

Sujungę skirtingas membranas į vieną sistemą mokslininkai išbandė ją su 15 skirtingų C5–C7 angliavandenilių mišiniu, imituojančiu sudėtingą lengvosios naftos sudėtį. Sistema suformavo tris pagrindinius produktų srautus.

Pirmąjį daugiausia sudarė tiesiniai ir viena šaka pasižymintys alkanai – tokios medžiagos gali būti naudojamos kaip žaliava etileno gamybai. Antrasis srautas buvo praturtintas aromatiniais angliavandeniliais, kurie vertingi kaip cheminiai tarpiniai produktai. Trečiajame liko daugiau stipriai išsišakojusių ir ciklinių angliavandenilių, tinkamų benzino komponentams. Kiekvienos grupės atkūrimo rodiklis siekė maždaug 85–90 procentų.

Didžiausią dėmesį, žinoma, patraukė energijos sąnaudos. Mokslininkai proceso modeliavimo metu palygino membranų sistemą su tradiciniu distiliavimu. Reprezentatyviam penkių komponentų mišiniui membranų kaskada, siekiant tokio paties produkto išgavimo, teoriškai sunaudojo maždaug 91 proc. mažiau energijos. Tai dar nėra realios naftos perdirbimo gamyklos elektros ar šilumos sąskaita, tačiau skirtumas toks didelis, kad technologija neabejotinai verta tolesnių bandymų.

Kodėl skirtumas apskritai gali būti toks didelis? Distiliavimas paremtas fazės keitimu – medžiagas reikia kaitinti iki garavimo, o paskui vėl kondensuoti. Tokiam procesui nuolat reikia šilumos. Membranoje molekulės tiesiog juda pro mikroskopines poras ir yra atskiriamos pagal dydį bei chemines savybes, todėl energijai imlaus garinimo etapo galima išvengti arba bent jau smarkiai sumažinti jo mastą.

Ir tai nėra vien teorinė problema. Kitas 2026 metais žurnale „Nature“ paskelbtas tyrimas primena, kokio masto energijos vartotojas yra tradicinis naftos distiliavimas: atmosferinei ir vakuuminei distiliacijai pasaulyje per metus tenka daugiau kaip 1100 TWh energijos, o su ja siejama daugiau kaip 160 mln. tonų CO₂ ekvivalento emisijų. Tame darbe buvo tiriama kitokia membranų technologija, tačiau ir ji parodė potencialą sumažinti distiliavimo energijos poreikį.

Tai dar nereiškia, kad naftos perdirbimo gamyklų kolonos netrukus bus nugriautos

Skaitant apie 91 proc. energijos sutaupymą gali susidaryti įspūdis, kad senosios naftos perdirbimo technologijos jau pasmerktos. Realybė daug sudėtingesnė.

Laboratorijoje atskirti 15 komponentų modelinį mišinį ir visą parą metų metus apdoroti tūkstančius tonų realios žaliavos yra visiškai skirtingos užduotys. Pramoninėje naftos frakcijoje yra daug daugiau komponentų, priemaišų ir teršalų. Membranos turi ne tik gerai atskirti molekules, bet ir ilgai nesikimšti, neprarasti selektyvumo, atlaikyti slėgį, temperatūrą bei cheminę aplinką.

Kitas klausimas – jų gamybos mastas ir kaina. Nedidelę aukštos kokybės MOF membraną laboratorijoje pagaminti galima, tačiau naftos perdirbimo gamykloje reikėtų milžiniško veiksmingo paviršiaus ploto. Tokia sistema turėtų būti ne tik techniškai įmanoma, bet ir pigesnė arba bent jau ekonomiškai konkurencinga dabar naudojamoms distiliavimo kolonoms.

Patys tyrėjai darbą pateikia ne kaip rytoj pradėsiantį veikti komercinį sprendimą, o kaip mokslinį pagrindą perėjimui nuo įprasto frakcijų atskyrimo prie vadinamojo molekulinio rafinavimo. Kitaip tariant, užuot skyrus naftą į gana plačias frakcijas daugiausia pagal virimo temperatūrą, ateityje būtų galima daug tiksliau iškart nukreipti konkrečias molekulių grupes ten, kur jos turi didžiausią vertę.

Svarbu ir tai, kad ši technologija nepanaikina krekingo, kaip kartais skelbiama apie šį tyrimą. Vienas membranomis gaunamų produktų srautų kaip tik yra žaliava, kuri vėliau gali būti krekinguojama etilenui gaminti. Naujoji sistema pirmiausia siūlo pakeisti arba papildyti energijai imlius atskyrimo ir distiliavimo etapus, o ne panaikinti visas vėlesnes cheminio perdirbimo reakcijas.

Jei technologiją pavyktų išdidinti, pasekmės būtų juntamos gerokai plačiau nei naftos pramonėje

Membranų pranašumas gali būti svarbus ne vien todėl, kad naftos perdirbimo gamyklos sunaudotų mažiau energijos. Mažesnis šilumos poreikis reikštų mažesnes eksploatacijos sąnaudas ir mažesnes emisijas ten, kur procesui naudojamos iškastinio kuro šilumos sistemos. Be to, tiksliau atskiriant molekules būtų galima geriau panaudoti kiekvieną žaliavos dalį – tinkamiausias molekules iškart nukreipti chemijos gamybai, etileno žaliavai ar benzino komponentams.

Pats principas gali būti pritaikytas ir kitose chemijos pramonės srityse. Didelė šiuolaikinės chemijos energijos dalis sunaudojama ne naujoms medžiagoms „pagaminti“, o būtent jau esančioms molekulėms atskirti vienoms nuo kitų. Jei membranos sugebėtų patikimai atlikti dalį šių užduočių be kaitinimo ir kondensavimo, jų nauda galėtų gerokai peržengti vien naftos perdirbimo ribas.

Todėl šiandien teisingiausia apie Kinijos mokslininkų darbą kalbėti ne kaip apie jau įvykusią naftos pramonės revoliuciją, o kaip apie labai rimtą užuominą, kokia ta revoliucija galėtų būti.

Laboratorijoje jau parodyta, kad 15 komponentų lengvosios naftos mišinį galima išrūšiuoti į tris vertingus produktų srautus, išgaunant apie 85–90 proc. kiekvienos grupės, o proceso modeliavimas rodo galimybę energijos poreikį sumažinti maždaug 91 proc. Dabar sunkiausia užduotis – įrodyti, kad tas pats principas gali veikti ne tik mokslininkų laboratorijoje, bet ir milžinišku pramoniniu mastu. Jei tai pavyktų, naftos perdirbimo gamyklos ateityje iš tiesų galėtų atrodyti visai kitaip nei šiandien.