Naftas pārstrādi var aizstāt “molekulārie sieti” – Ķīnas zinātnieki ziņo par par 91 % mazāku enerģijas patēriņu

Naftas pārstrādes rūpnīcas gadu desmitiem balstās uz procesu, kura princips būtībā ir diezgan vienkāršs – maisījumu karsē, tā dažādās sastāvdaļas iztvaiko atšķirīgā temperatūrā, bet vēlāk tvaikus kondensē un atdala. Problēma ir tā, ka tam visam nepieciešams milzīgs enerģijas daudzums. Ķīnas zinātnieki tagad ir parādījuši pavisam citu ceļu: tā vietā, lai ogļūdeņražu maisījumu nepārtraukti karsētu un dzesētu, tā molekulas varētu šķirot, izmantojot īpaši precīzi konstruētas membrānas.

Dalianas Ķīmiskās fizikas institūta un citu Ķīnas zinātnisko institūciju pētnieki izveidojuši daudzpakāpju membrānu sistēmu, kas darbojas kā molekulāra izmēra siets. Eksperimentā tai izdevās 15 dažādus ogļūdeņražus saturošu vieglās naftas frakcijas modeļmaisījumu sadalīt trīs produktu grupās, kas piemērotas dažādām rūpniecības vajadzībām. Katras grupas atgūšanas rādītājs bija aptuveni 85–90 %, bet procesa modelēšanas rezultāti parādīja, ka noteiktā gadījumā enerģijas patēriņš varētu būt aptuveni par 91 % mazāks nekā tradicionālās destilācijas gadījumā. Pētījums augustā publicēts žurnālā “National Science Review”.

Šis skaitlis šķiet gandrīz neticams, tomēr te ir nepieciešama viena būtiska atruna. Zinātnieki pagaidām nav aizstājuši visu naftas pārstrādes rūpnīcu ar membrānu sistēmu un nav pārstrādājuši miljoniem tonnu jēlnaftas. Viņi pētīja konkrētu naftas pārstrādes ķēdes daļu – vieglās naftas frakcijas molekulāro atdalīšanu. Tāpēc runāt par jau notikušu naftas nozares revolūciju būtu pāragri. Tomēr pats princips parāda, kāpēc membrānām šajā jomā tiek pievērsta tik liela uzmanība.

Milzīga siltuma daudzuma vietā – poras, kuru izmēru mēra nanometra daļās

Vieglā nafta ir svarīga izejviela naftas pārstrādes un ķīmijas rūpniecībā. Tā satur dažādus C5–C7 ogļūdeņražus: lineāras ķēdes alkānus, sazarotus alkānus, cikliskus savienojumus un aromātiskos ogļūdeņražus. Dažas molekulas ir noderīgas kā izejviela etilēna ražošanai, citas ir vērtīgas ķīmijas rūpniecībā, bet vēl citas ir piemērotas benzīna komponentiem ar augstāku oktānskaitli.

Problēma ir tā, ka daudzu šo molekulu fizikālās un ķīmiskās īpašības ir ļoti līdzīgas. Dažu molekulu izmēri atšķiras tikai par 0,01–0,03 nanometriem. Tradicionālajā procesā šādu maisījumu atdalīšanai bieži nepieciešami energoietilpīgi destilācijas posmi. Ķīnas zinātnieki mēģināja apiet šo problēmu, nevis vēl vairāk pilnveidojot karsēšanu, bet izveidojot membrānas, kas spēj atdalīt pašas molekulas.

Membrānu pamatu veido tā dēvētās metālorganiskās struktūras jeb MOF. Vienkāršoti sakot, tās ir ļoti poraini materiāli, kuru poru izmēru un ķīmiskās īpašības var kontrolēt gandrīz ar molekulāru precizitāti. Šajā pētījumā tika izmantota CuBTC struktūra, kuras virsma un poras tika koriģētas, to maigi apstrādājot ar tanīnskābi. Tādējādi zinātnieki izgatavoja membrānas, kas veic atšķirīgus uzdevumus.

Pirmajā posmā molekulas tika šķirotas galvenokārt pēc to izmēra. Lineāras un vienu atzaru saturošas alkānu molekulas tika atdalītas no vairāk sazarotiem, cikliskiem un aromātiskiem savienojumiem. Šeit molekulu izmēra atšķirība bija aptuveni 0,08–0,12 nanometri.

Otrais posms bija vēl sarežģītāks. Tajā bija nepieciešams atdalīt aromātiskos savienojumus no citām molekulām, kuru izmēri atšķīrās tikai par dažām nanometra simtdaļām. Ar izmēru vien vairs nepietika, tāpēc membrānas tika izveidotas tā, lai molekulas tiktu atdalītas arī pēc to ķīmiskās mijiedarbības ar virsmu.

Rezultāts atgādina nevis vienu lielu filtru, bet vairākus citu aiz cita novietotus, ļoti specializētus sietus. Katrs no tiem veic atšķirīgu darbu un pakāpeniski no sarežģītā maisījuma atlasa vēlamās molekulas.

15 vielu maisījumu izdevās sadalīt trīs vērtīgās produktu plūsmās

Apvienojot dažādas membrānas vienā sistēmā, zinātnieki to pārbaudīja ar 15 dažādu C5–C7 ogļūdeņražu maisījumu, kas imitēja sarežģītu vieglās naftas sastāvu. Sistēma izveidoja trīs galvenās produktu plūsmas.

Pirmo galvenokārt veidoja lineāri alkāni un alkāni ar vienu atzaru – šādas vielas var izmantot kā izejvielu etilēna ražošanai. Otrā plūsma bija bagātināta ar aromātiskajiem ogļūdeņražiem, kas ir vērtīgi kā ķīmiskie starpprodukti. Trešajā palika vairāk stipri sazarotu un ciklisku ogļūdeņražu, kas piemēroti benzīna komponentiem. Katras grupas atgūšanas rādītājs bija aptuveni 85–90 procenti.

Vislielāko uzmanību, protams, piesaistīja enerģijas patēriņš. Procesa modelēšanas laikā zinātnieki salīdzināja membrānu sistēmu ar tradicionālo destilāciju. Reprezentatīvam piecu komponentu maisījumam membrānu kaskāde, lai iegūtu tādu pašu produkta daudzumu, teorētiski patērēja aptuveni par 91 % mazāk enerģijas. Tas vēl nav reālas naftas pārstrādes rūpnīcas elektrības vai siltuma rēķins, tomēr atšķirība ir tik liela, ka tehnoloģija neapšaubāmi ir turpmāku izmēģinājumu vērta.

Kāpēc atšķirība vispār var būt tik liela? Destilācija balstās uz fāzes maiņu – vielas jāuzkarsē līdz iztvaikošanai un pēc tam atkal jākondensē. Šādam procesam nepārtraukti nepieciešams siltums. Membrānā molekulas vienkārši pārvietojas caur mikroskopiskām porām un tiek atdalītas pēc izmēra un ķīmiskajām īpašībām, tāpēc no enerģijas prasīgā iztvaikošanas posma var izvairīties vai vismaz būtiski samazināt tā apjomu.

Un tā nav tikai teorētiska problēma. Cits 2026. gadā žurnālā “Nature” publicēts pētījums atgādina, cik liels enerģijas patērētājs ir tradicionālā naftas destilācija: atmosfēriskajai un vakuuma destilācijai pasaulē gadā tiek patērēts vairāk nekā 1100 TWh enerģijas, un ar to saistītas vairāk nekā 160 miljonu tonnu CO₂ ekvivalenta emisijas. Šajā darbā tika pētīta cita membrānu tehnoloģija, tomēr arī tā parādīja potenciālu samazināt destilācijas enerģijas patēriņu.

Tas vēl nenozīmē, ka naftas pārstrādes rūpnīcu kolonnas drīzumā tiks nojauktas

Lasot par 91 % enerģijas ietaupījumu, var rasties iespaids, ka vecās naftas pārstrādes tehnoloģijas jau ir nolemtas. Realitāte ir daudz sarežģītāka.

Laboratorijā atdalīt 15 komponentu modeļmaisījumu un visu diennakti gadiem ilgi apstrādāt tūkstošiem tonnu reālas izejvielas ir pilnīgi atšķirīgi uzdevumi. Rūpnieciskajā naftas frakcijā ir daudz vairāk komponentu, piemaisījumu un piesārņotāju. Membrānām ne tikai labi jāatdala molekulas, bet arī ilgstoši jāizvairās no aizsērēšanas, nezaudējot selektivitāti, kā arī jāiztur spiediens, temperatūra un ķīmiskā vide.

Cits jautājums ir to ražošanas mērogs un cena. Nelielu augstas kvalitātes MOF membrānu laboratorijā var izgatavot, tomēr naftas pārstrādes rūpnīcā būtu nepieciešama milzīga efektīvā virsmas platība. Šādai sistēmai būtu jābūt ne tikai tehniski iespējamai, bet arī lētākai vai vismaz ekonomiski konkurētspējīgai ar pašlaik izmantotajām destilācijas kolonnām.

Paši pētnieki šo darbu pasniedz nevis kā komerciālu risinājumu, kas sāks darboties rīt, bet gan kā zinātnisku pamatu pārejai no ierastās frakciju atdalīšanas uz tā dēvēto molekulāro rafinēšanu. Citiem vārdiem sakot, tā vietā, lai naftu sadalītu diezgan plašās frakcijās, galvenokārt pēc viršanas temperatūras, nākotnē varētu daudz precīzāk uzreiz novirzīt konkrētas molekulu grupas tur, kur tām ir vislielākā vērtība.

Svarīgi ir arī tas, ka šī tehnoloģija neizslēdz krekingu, kā dažkārt tiek apgalvots par šo pētījumu. Viena no ar membrānām iegūtajām produktu plūsmām tieši ir izejviela, ko vēlāk var krekingot etilēna ražošanai. Jaunā sistēma vispirms piedāvā aizstāt vai papildināt energoietilpīgos atdalīšanas un destilācijas posmus, nevis likvidēt visas turpmākās ķīmiskās pārstrādes reakcijas.

Ja tehnoloģiju izdotos mērogot, sekas būtu jūtamas daudz plašāk nekā tikai naftas nozarē

Membrānu priekšrocība var būt svarīga ne tikai tāpēc, ka naftas pārstrādes rūpnīcas patērētu mazāk enerģijas. Mazāka nepieciešamība pēc siltuma nozīmētu zemākas ekspluatācijas izmaksas un mazākas emisijas tur, kur procesā tiek izmantotas fosilā kurināmā siltuma sistēmas. Turklāt, precīzāk atdalot molekulas, būtu iespējams labāk izmantot katru izejvielas daļu – piemērotākās molekulas uzreiz novirzīt ķīmiskajai ražošanai, etilēna izejvielai vai benzīna komponentiem.

Pats princips varētu tikt izmantots arī citās ķīmiskās rūpniecības jomās. Liela daļa mūsdienu ķīmijas enerģijas tiek patērēta nevis jaunu materiālu “izgatavošanai”, bet tieši jau esošo molekulu atdalīšanai citu no citas. Ja membrānas spētu uzticami veikt daļu šo uzdevumu bez karsēšanas un kondensēšanas, to ieguvums varētu ievērojami pārsniegt tikai naftas pārstrādes robežas.

Tāpēc šodien vispareizāk par Ķīnas zinātnieku darbu būtu runāt nevis kā par jau notikušu naftas nozares revolūciju, bet gan kā par ļoti nopietnu norādi uz to, kāda šī revolūcija varētu būt.

Laboratorijā jau ir parādīts, ka 15 komponentu vieglās naftas maisījumu iespējams sašķirot trīs vērtīgās produktu plūsmās, iegūstot aptuveni 85–90 % no katras grupas, bet procesa modelēšana rāda iespēju samazināt enerģijas patēriņu aptuveni par 91 %. Tagad grūtākais uzdevums ir pierādīt, ka tas pats princips var darboties ne tikai zinātnieku laboratorijā, bet arī milzīgā rūpnieciskā mērogā. Ja tas izdotos, naftas pārstrādes rūpnīcas nākotnē patiešām varētu izskatīties pavisam citādi nekā šodien.