Các nhà khoa học đã đạt được một phát hiện bất ngờ có thể cắt giảm lượng lớn năng lượng tiêu thụ trong hoạt động lọc dầu bằng cách loại bỏ một phần quá trình gia nhiệt ở nhiệt độ cao vốn bắt buộc để tách các phân đoạn hydrocarbon của dầu thô.
Đột phá khoa học này tìm ra một phương pháp đơn giản và chi phí thấp nhằm tách các phân đoạn phân tử dầu thô thông qua một màng lọc polymer, tạo ra sự khác biệt triệt để so với các nỗ lực phân tách dầu thô qua màng lọc trước đây.
Trong các nghiên cứu trước đó về phương pháp phân đoạn dựa trên màng lọc, giới khoa học tin rằng một lớp màng chọn lọc cần phải được phủ lên bề mặt để hỗ trợ phân tách các phân tử. Tuy nhiên, các màng lọc phủ lớp bổ sung này có chi phí chế tạo đắt đỏ và tiềm ẩn rủi ro lỗi cấu trúc khi sản xuất ở quy mô công nghiệp.
Do đó, các nhà nghiên cứu từ Viện Khoa học và Công nghệ Tiên tiến Hàn Quốc (KAIST) cùng Viện Công nghệ Georgia (Georgia Institute of Technology) đã lựa chọn một hướng tiếp cận hoàn toàn khác. Thay vì dựa vào lớp phủ chuyên dụng siêu mỏng, họ cho dòng dầu thô đi trực tiếp qua một màng polyacrylonitrile (PAN) xốp thuần túy . Đây là một loại polymer có độ bền hóa học cao, giá thành rẻ và phổ biến trong vai trò vật liệu hỗ trợ tại các màng lọc công nghiệp.
Khi cho dầu thô đi qua màng lọc này ở nhiệt độ phòng, bề mặt màng tự chuyển đổi thành một dạng "bộ lọc bị nghẽn" khi các phân đoạn hydrocarbon nặng bám chọn lọc vào các thành lỗ rỗng. Quá trình tích tụ các hydrocarbon nặng này dần dần làm thu hẹp các lỗ rỗng và tạo ra các kênh phân tách có kích thước nhỏ hơn 2 nanomet, theo nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature trong năm nay.
Các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng màng PAN thuần túy đạt tốc độ thẩm thấu dầu thô cao gấp khoảng 23 lần so với các màng lọc dầu tiên tiến nhất từng được ghi nhận trước đó, đồng thời duy trì hiệu suất ổn định trong suốt 28 ngày vận hành liên tục.
"Một trong những thách thức cốt lõi đối với các hệ thống màng lọc trong phân tách dầu thô là năng suất thấp của các đơn nguyên màng — còn các màng PAN với cơ chế phân tách đáng kinh ngạc của chúng đã nâng năng suất đơn nguyên màng lên một tầm cao mới, đến mức ngành công nghiệp nên nghiêm túc cân nhắc áp dụng công nghệ này," Giáo sư Ryan Lively từ Viện Georgia Tech nhận định.
Các nhà nghiên cứu cho biết công nghệ mới này có thể được áp dụng bởi các nhà máy lọc dầu thông qua các giải pháp hoán cải tương đối đơn giản bằng cách bổ sung một đơn nguyên lọc dạng mô-đun mà không đòi hỏi các khoản đầu tư vốn khổng lồ.
Các màng lọc giá rẻ này có thể làm giảm đáng kể lượng năng lượng tiêu thụ và phát thải từ các hoạt động lọc hóa dầu. Các "bộ lọc bị nghẽn" này không thể thay thế hoàn toàn quá trình chưng cất phân đoạn đúng nghĩa, nhưng có thể được ứng dụng ở giai đoạn đầu để tách các phân đoạn mà không cần đun nóng dầu thô vượt mức 350°C (662°F) ngay từ đầu, từ đó triệt tiêu một phần năng lượng tiêu thụ và khí thải trong toàn bộ chuỗi lọc dầu.
Các mô phỏng quy trình trong nghiên cứu chỉ ra rằng việc ứng dụng màng lọc này như một bước tiền xử lý trước quá trình chưng cất truyền thống có thể cắt giảm 31,6% năng lượng tiêu thụ, 37,6% lượng phát thải carbon dioxide, 20,7% lượng nước làm mát sử dụng và 36% chi phí vận hành.
Màng lọc này cũng có thể được ứng dụng trong các quá trình tách hóa chất khác thuộc ngành hóa dầu và công nghiệp tái chế nhựa phế thải, theo các nhà khoa học.
"Mục tiêu của chúng tôi là kiểm soát chính xác hiện tượng thu hẹp lỗ rỗng tự phát này và phát triển nó thành một nền tảng màng lọc có thể áp dụng cho toàn bộ chuỗi quy trình lọc dầu," Tiến sĩ Jihoon Choi và Tiến sĩ Hyeokjun Seo từ KAIST, đồng tác giả chính của nghiên cứu, chia sẻ.
"Chúng tôi cũng đặt mục tiêu mở rộng công nghệ này sang lĩnh vực tái chế nhựa, tinh chế nhiên liệu sinh học và các quá trình hóa học bền vững khác hỗ trợ mục tiêu trung hòa carbon."
Nghiên cứu này không phải là lần đầu tiên các nhà khoa học phát triển các màng lọc có khả năng giảm tiêu thụ năng lượng trong lọc dầu.
Chẳng hạn, các kỹ sư tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) vào năm ngoái từng công bố một phương pháp tiếp cận mới đối với việc phân đoạn dầu thô có khả năng cắt giảm tới 90% lượng năng lượng cần thiết để xử lý dầu thô thành các loại nhiên liệu khác nhau — một bước đột phá có thể cách mạng hóa ngành sản xuất nhiên liệu.
Trong một nghiên cứu công bố trên tạp chí Science, nhóm nghiên cứu tại MIT tiết lộ họ đã phát triển một màng lọc mới có hiệu suất cao trong việc tách các thành phần nặng và nhẹ từ dầu mỏ. Màng lọc này có khả năng kháng hiện tượng trương nở vốn thường xảy ra ở các loại màng lọc dầu khác.
Các kỹ sư MIT đã biến tính các loại polymer từng được sử dụng trong công nghệ khử muối nước biển bằng cách thay đổi các liên kết hóa học và đưa thêm các monomer vào cấu trúc.
"Điểm đổi mới cốt lõi là các bộ lọc do chúng tôi phát triển có khả năng tách các phân tử có kích thước vô cùng nhỏ ở quy mô chiều dài nguyên tử," Giáo sư Zachary P. Smith, chuyên gia kỹ thuật hóa học tại MIT đồng thời là tác giả cấp cao của nghiên cứu, cho biết.
Nguồn tin: Xangdau.net
