Công nghệ mới của MIT có thể cắt giảm 90% năng lượng lọc dầu
Tác giả: Anne Trafton, Viện Công nghệ Massachusetts
Một màng mới do MIT phát triển có thể tách các thành phần dầu thô theo kích thước, không phải theo nhiệt, mang lại khả năng tiết kiệm năng lượng 90% và giảm đáng kể lượng khí thải CO₂.
Các nhà nghiên cứu của MIT đã phát triển một màng mới có thể tách các loại nhiên liệu khác nhau theo kích thước phân tử, có khả năng loại bỏ nhu cầu về quy trình chưng cất dầu thô tốn nhiều năng lượng.
Việc biến dầu thô thành nhiên liệu hàng ngày như xăng, dầu diesel và dầu sưởi đòi hỏi một lượng năng lượng khổng lồ. Trên thực tế, quy trình này chịu trách nhiệm cho khoảng 6 phần trăm lượng khí thải carbon dioxide trên thế giới. Hầu hết năng lượng đó được sử dụng để làm nóng dầu để tách các thành phần của nó dựa trên điểm sôi của chúng.
Giờ đây, trong một bước đột phá thú vị, các kỹ sư tại MIT đã tạo ra một loại màng mới có thể thay đổi cuộc chơi. Thay vì sử dụng nhiệt, màng cải tiến này tách dầu thô bằng cách lọc các thành phần của nó dựa trên kích thước phân tử của chúng.
“Đây là một cách hoàn toàn mới để hình dung về quá trình tách. Thay vì đun sôi hỗn hợp để tinh chế, tại sao không tách các thành phần dựa trên hình dạng và kích thước? Đổi mới chính là các bộ lọc mà chúng tôi phát triển có thể tách các phân tử rất nhỏ ở quy mô chiều dài nguyên tử”, Zachary P. Smith, phó giáo sư kỹ thuật hóa học tại MIT và là tác giả chính của nghiên cứu mới cho biết.
Màng lọc mới có thể tách hiệu quả các thành phần nặng và nhẹ khỏi dầu, và nó có khả năng chống lại hiện tượng phồng lên thường xảy ra với các loại màng tách dầu khác. Màng là một lớp màng mỏng có thể được sản xuất bằng một kỹ thuật đã được sử dụng rộng rãi trong các quy trình công nghiệp, có khả năng cho phép mở rộng quy mô để sử dụng rộng rãi.
Taehoon Lee, cựu tiến sĩ sau tiến sĩ của MIT hiện là trợ lý giáo sư tại Đại học Sungkyunkwan ở Hàn Quốc, là tác giả chính của bài báo, xuất hiện trên tạp chí Science ngày hôm nay.
Phân đoạn dầu
Các quy trình nhiệt thông thường để phân đoạn dầu thô chiếm khoảng 1 phần trăm mức sử dụng năng lượng toàn cầu và người ta ước tính rằng việc sử dụng màng để tách dầu thô có thể giảm lượng năng lượng cần thiết khoảng 90 phần trăm. Để thành công, màng tách cần cho phép hydrocarbon đi qua nhanh chóng và lọc chọn lọc các hợp chất có kích thước khác nhau.
Cho đến nay, hầu hết các nỗ lực phát triển màng lọc hydrocarbon đều tập trung vào polyme có độ xốp siêu nhỏ nội tại (PIM), bao gồm một loại được gọi là PIM-1. Mặc dù vật liệu xốp này cho phép vận chuyển hydrocarbon nhanh chóng, nhưng nó có xu hướng hấp thụ quá mức một số hợp chất hữu cơ khi chúng đi qua màng, khiến màng bị phồng lên, làm suy yếu khả năng sàng lọc kích thước của màng.
Để đưa ra một giải pháp thay thế tốt hơn, nhóm MIT đã quyết định thử sửa đổi các polyme được sử dụng để khử muối nước thẩm thấu ngược. Kể từ khi áp dụng vào những năm 1970, màng thẩm thấu ngược đã giảm mức tiêu thụ năng lượng của quá trình khử muối khoảng 90 phần trăm — một câu chuyện thành công đáng chú ý trong ngành.
Màng được sử dụng phổ biến nhất để khử muối nước là polyamide được sản xuất bằng phương pháp được gọi là trùng hợp giao diện. Trong quá trình này, một lớp màng polymer mỏng hình thành tại giao diện giữa nước và dung môi hữu cơ như hexane. Nước và hexane thường không trộn lẫn, nhưng tại giao diện giữa chúng, một lượng nhỏ hợp chất hòa tan trong chúng có thể phản ứng với nhau.
Các kỹ sư của MIT đã phát triển một màng, trong hình, có thể lọc các thành phần của dầu thô theo kích thước phân tử của chúng, một tiến bộ có thể giảm đáng kể lượng năng lượng cần thiết để phân tách dầu thô. Nguồn: MIT
Trong trường hợp này, một monome ưa nước gọi là MPD, được hòa tan trong nước, phản ứng với một monome kỵ nước gọi là TMC, được hòa tan trong hexane. Hai monome này được nối với nhau bằng một kết nối được gọi là liên kết amide, tạo thành một lớp màng mỏng polyamide (được gọi là MPD-TMC) tại giao diện nước-hexane.
Mặc dù rất hiệu quả trong việc khử muối nước, MPD-TMC không có kích thước lỗ chân lông và khả năng chống trương nở phù hợp để tách hydrocarbon.
Để điều chỉnh vật liệu để tách hydrocarbon có trong dầu thô, trước tiên các nhà nghiên cứu đã biến đổi màng bằng cách thay đổi liên kết kết nối các monome từ liên kết amit thành liên kết imine. Liên kết này cứng hơn và kỵ nước hơn, cho phép hydrocarbon di chuyển nhanh qua màng mà không gây ra hiện tượng trương nở đáng kể của màng so với polyamide.
Smith cho biết: "Vật liệu polyimine có độ xốp hình thành tại giao diện và do hóa học liên kết chéo mà chúng tôi đã thêm vào, giờ đây bạn có thứ gì đó không trương nở". "Bạn tạo ra nó trong pha dầu, phản ứng với nó tại giao diện nước và với các liên kết chéo, giờ đây nó đã bất động. Và do đó, các lỗ chân lông đó, ngay cả khi chúng tiếp xúc với hydrocarbon, không còn trương nở như các vật liệu khác nữa".
Kết quả nghiên cứu
cũng giới thiệu một monome gọi là triptycene. Phân tử có tính chọn lọc phân tử, bền hình dạng này giúp polyimine tạo thành các lỗ có kích thước phù hợp để hydrocarbon có thể đi qua.
Phân tách hiệu quả
Khi các nhà nghiên cứu sử dụng màng mới để lọc hỗn hợp toluene và triisopropylbenzene (TIPB) làm chuẩn để đánh giá hiệu suất phân tách, màng có thể đạt được nồng độ toluene cao hơn 20 lần so với nồng độ trong hỗn hợp ban đầu. Họ cũng đã thử nghiệm màng với hỗn hợp có liên quan đến công nghiệp bao gồm naphta, dầu hỏa và dầu diesel, và thấy rằng màng có thể phân tách hiệu quả các hợp chất nặng hơn và nhẹ hơn theo kích thước phân tử của chúng.
Các nhà nghiên cứu cho biết nếu được điều chỉnh để sử dụng trong công nghiệp, một loạt các bộ lọc này có thể được sử dụng để tạo ra nồng độ cao hơn của các sản phẩm mong muốn ở mỗi bước.
Smith cho biết: “Bạn có thể tưởng tượng rằng với một màng như thế này, bạn có thể có một giai đoạn ban đầu thay thế cho một cột phân đoạn dầu thô. Bạn có thể phân chia các phân tử nặng và nhẹ, sau đó bạn có thể sử dụng các màng khác nhau trong một chuỗi để tinh chế các hỗn hợp phức tạp nhằm cô lập các hóa chất bạn cần”.
Trùng hợp giao diện đã được sử dụng rộng rãi để tạo ra các màng khử muối nước và các nhà nghiên cứu tin rằng có thể điều chỉnh các quy trình đó để sản xuất hàng loạt các màng mà họ thiết kế trong nghiên cứu này.
Lee cho biết: “Ưu điểm chính của trùng hợp giao diện là đây đã là một phương pháp được thiết lập tốt để chuẩn bị màng lọc nước, vì vậy bạn có thể tưởng tượng việc áp dụng các hóa chất này vào quy mô sản xuất hiện có”.
Tài liệu tham khảo: “Màng polyimine vi xốp để tách hiệu quả các hỗn hợp hydrocarbon lỏng” của Tae Hoon Lee, Marcel Balcik, Zain Ali, Taigyu Joo, Matthew P. Rivera, Ingo Pinnau và Zachary P. Smith, ngày 22 tháng 5 năm 2025, Science.
DOI: 10.1126/science.adv6886
Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi ExxonMobil thông qua Sáng kiến Năng lượng MIT.
