В статье, опубликованной 26 апреля в журнале Nature, два исследователя из Технологического института Джорджии предлагают семь энергоемких процессов разделения, которые, по их мнению, должны быть главными целями для исследований в области технологий очистки с низким потреблением энергии. Помимо сокращения энергопотребления, улучшенные методы отделения химикатов от смесей также сократят загрязнение, сократят выбросы углекислого газа и откроют новые способы получения важнейших ресурсов, в которых нуждается мир.Авторы отмечают, что технологии, применимые к этим процессам разделения, находятся на разных стадиях разработки.
Эти альтернативные процессы в настоящее время недостаточно развиты или дороги в масштабировании, и их реализация для крупномасштабного использования может потребовать значительных инвестиций в исследования и разработки.«Мы хотели подчеркнуть, сколько мировой энергии используется для химического разделения, и указать на некоторые области, в которых потенциально можно было бы добиться больших успехов за счет расширения исследований в этих областях», — сказал Дэвид Шолл, один из авторов статьи и председатель Технологического института Джорджии. Школа химии Биомолекулярная инженерия. «Эти процессы в значительной степени невидимы для большинства людей, но есть большие потенциальные выгоды — как для энергии, так и для окружающей среды — за разработку улучшенных процессов разделения в этих областях».В Соединенных Штатах замена нетермических подходов к очистке химикатов могла бы снизить затраты на электроэнергию на 4 миллиарда долларов в год только в нефтяном, химическом и бумажном секторах.
Также есть потенциал для сокращения выбросов углекислого газа на 100 миллионов тонн в год.«На химическое разделение приходится около половины всего промышленного использования энергии в США», — отметил Райан Лайвли, доцент Химической школы Технологического института Джорджии.
Биомолекулярная инженерия и второй автор статьи. «Разработка альтернатив, которые не используют тепло, может значительно повысить эффективность 80 процентов процессов разделения, которые мы сейчас используем».Этот список, получивший название «семь химических разделений, которые изменят мир», не является исчерпывающим, но включает:Углеводороды из сырой нефти.
Углеводороды из сырой нефти являются основными ингредиентами для производства топлива, пластмасс и полимеров — ключей к мировой потребительской экономике. В статье отмечается, что каждый день нефтеперерабатывающие заводы по всему миру перерабатывают около 90 миллионов баррелей сырой нефти, в основном с использованием процессов атмосферной дистилляции, которые потребляют около 230 гигаватт энергии в год, что эквивалентно общему энергопотреблению Соединенного Королевства в 2014 году.
Дистилляция включает нагревание масла с последующим улавливанием различных соединений по мере их испарения при разных точках кипения. Найти альтернативы сложно, потому что нефть сложна химически и ее необходимо поддерживать при высоких температурах, чтобы густая сырая нефть не текла.
Уран из морской воды. Ядерная энергия может обеспечить дополнительную электроэнергию без увеличения выбросов углерода, но мировые запасы уранового топлива ограничены.
Однако в океанской воде содержится более четырех миллиардов тонн этого элемента. Отделение урана от океанской воды осложняется присутствием металлов, таких как ванадий и кобальт, которые улавливаются вместе с ураном в существующих технологиях. Процессы получения урана из морской воды были продемонстрированы в небольших масштабах, но их нужно было бы расширить, прежде чем они смогут внести существенный вклад в расширение ядерной энергетики.
Алкены из алканов. Для производства некоторых пластиков необходимы алкены — углеводороды, такие как этан и пропен, общее годовое производство которых превышает 200 миллионов тонн.
Например, отделение этена от этана обычно требует криогенной перегонки под высоким давлением при низких температурах. Гибридные методы разделения, в которых используется комбинация мембран и дистилляции, могут снизить потребление энергии в два или три раза, но для масштабирования могут потребоваться большие объемы мембранных материалов — до одного миллиона квадратных метров на одном химическом заводе. вверх.Парниковые газы от разбавленных выбросов.
Выбросы углекислого газа и углеводородов, таких как метан, способствуют глобальному изменению климата. Удаление этих соединений из разбавленных источников, таких как выбросы электростанции, можно выполнить с использованием жидких аминовых материалов, но удаление диоксида углерода из этого материала требует тепла. Требуются менее дорогостоящие методы удаления углекислого газа.
Редкоземельные металлы из руд. Редкоземельные элементы используются в магнитах, катализаторах и высокоэффективном освещении. Хотя эти материалы на самом деле не редкость, получить их сложно, потому что они существуют в следовых количествах, которые необходимо отделить от руды с помощью сложных механических и химических процессов.Производные бензола друг от друга.
Бензол и его производные необходимы для производства многих полимеров, пластиков, волокон, растворителей и топливных добавок. Эти молекулы теперь разделяются с помощью дистилляционных колонн с общим годовым потреблением энергии около 50 гигаватт. Развитие мембран или сорбентов может значительно снизить затраты энергии.Следы загрязнений из воды.
Опреснение уже имеет решающее значение для удовлетворения потребности в пресной воде в некоторых частях мира, но этот процесс является энергоемким и капиталоемким, независимо от того, используются ли мембранные или дистилляционные процессы. Разработка мембран, которые будут более производительными и устойчивыми к загрязнению, может снизить затраты.Шолл и Лайвли завершают статью, предлагая четыре шага, которые могут быть предприняты академическими исследователями и политиками, чтобы помочь расширить использование методов нетеплового разделения:В исследованиях учитывайте реалистичные химические смеси и отражайте реальные условия.
Оценить экономичность и устойчивость любого метода разделения,Примите во внимание масштабы, в которых технологии должны быть развернуты в промышленности, иОбучите инженеров-химиков и химиков методам разделения, не требующим дистилляции.