Forscher haben eine Membran entwickelt, die Rohöl energieeffizient nach Molekülgröße trennt – ganz ohne Destillation. Die Technologie könnte den Energieverbrauch bei der Ölraffination um bis zu 90 Prozent reduzieren.
Die Raffination von Rohöl in Produkte wie Benzin, Diesel und Heizöl ist ein energieintensiver Prozess. Er ist für rund ein Prozent der globalen CO2-Emissionen verantwortlich. Der größte Teil dieser Energie wird für Wärme aufgewendet, die zur Trennung der Komponenten nach ihrem Siedepunkt notwendig ist.
Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben nun eine neue Technologie entwickelt, die den Energieverbrauch beider Rohölfraktionierung drastisch senken könnte: Eine Membran, die Ölbestandteile nach ihrer Molekülgröße filtert.
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Neuartige Membran soll Energieverbrauch bei Ölraffination reduzieren
Bisher werden die verschiedenen Rohöl-Bestandteile durch Destillation getrennt. Dabei wird Öl erhitzt, sodass die Komponenten – entsprechend ihrer Siedepunkte – verdampfen und getrennt werden können. Dieses Verfahren ist jedoch extrem energieintensiv, weil große Mengen an Wärme aufgebracht werden müssen.
Schätzungen zufolge könnte der Einsatz von Membranen zur Rohöltrennung die benötigte Energiemenge um etwa 90 Prozent senken. Damit das gelingt, muss eine Trennmembran Kohlenwasserstoffe relativ schnell passieren lassen und selektiv Verbindungen unterschiedlicher Größe filtern.
Die MIT-Wissenschaftler verfolgen deshalb einen neuen Ansatz: Statt das Öl zu kochen, setzen sie auf Membranen, die die Moleküle nach Größe und Form sortieren. Vergleichbar ist das mit einem feinen Sieb auf atomarer Ebene, das schwere von leichten Molekülen trennt – und zwar ohne Erhitzung.
Bestehende Technologie weiterentwickelt
Die MIT-Forscher sind nicht die ersten, die versuchen, eine derartige Filtermembran zu entwickeln. Bisher konzentrierten sich die meisten Bemühungen allerdings auf Polymere mit intrinsischer Mikroporosität (PIMs), darunter eines namens PIM-1.
Obwohl dieses poröse Material einen schnellen Transport von Kohlenwasserstoffen ermöglicht, neigt es dazu, einige der organischen Verbindungen beim Durchtritt durch die Membran übermäßig zu absorbieren. Das wiederum führt zum Aufquellen des Films und beeinträchtigt seine Fähigkeit zur Größentrennung.
Um eine bessere Alternative zu finden, entschied sich das MIT-Team, Polymere zu modifizieren, die für die Umkehrosmose bei der Meerwasserentsalzung zum Einsatz kommen. Sie veränderten die Membran so, dass sie statt einer flexiblen Amidbindung eine steifere und wasserabweisendere Iminbindung erhielt.
Dadurch können Kohlenwasserstoffe schneller hindurch wandern, ohne dass die Membran aufquillt. Zusätzlich wurde ein spezielles Molekül namens Triptycen eingebaut, das dafür sorgt, dass die Poren der Membran genau die richtige Größe für die Trennung der verschiedenen Ölbestandteile haben.
Energieverbrauch bei Ölraffination: Labortests mit guten Ergebnisse
Im Labor konnte die Membran eine Mischung aus Toluol und Triisopropylbenzol so effektiv trennen, dass die Konzentration von Toluol im Filtrat zwanzigmal höher war als im Ausgangsgemisch. Auch bei komplexeren Gemischen wie Naphtha, Kerosin und Diesel zeigte die Technologie eine präzise Trennung nach Molekülgröße.
„Der phantasievolle Ansatz, bei dem ein Grenzflächenkatalysator an hydrophobe Monomere gekoppelt wird, führt zu Membranen mit hoher Permeanz und hervorragender Selektivität“, erklärt Andrew Livingston, Professor für Chemieingenieurwesen an der Queen Mary University of London. Die Studie zeige, wie diese Membran in relevanten Trennungen eingesetzt werden können.
In der industriellen Anwendung könnten mehrere dieser Membranen hintereinander geschaltet werden. So lassen sich Schritt für Schritt die gewünschten Produkte in hoher Reinheit gewinnen. Der energieaufwendige Destillationsprozess würde zumindest teilweise ersetzt werden.
Bei der Membran handelt es sich um einen dünnen Film, der mit einer Technik hergestellt werden kann, die in industriellen Prozessen bereits weit verbreitet ist. So ist es eventuell möglich, sie für einen großflächigen Einsatz aufzustocken. Sollte sich die Technologie in der Praxis bewähren, wäre sie ein Meilenstein auf dem Weg zu einer klimafreundlicheren Energie- und Rohstoffversorgung.
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