Rafinirati naftu – zeleno, zeleno...

Rafinerije bez vatre, dima i smrada, koje energiju za svoj rad crpe iz obnovljivih izvora. Moguće je, moguće – zahvaljujući polimernim membranama

Nenad Raos nedjelja, 26. lipnja 2022. u 15:31

Ima li prljavije i primitivnije tehnologije od prerade nafte? Da je riječ o prljavoj tehnologiji znade svatko tko se ikad, makar izdaleka zagledao u rafineriju – i mirisao ono što iz nje izlazi, poput nevoljnika iz Slavonskog Broda (a o onima s druge strane Save neću govoriti). Rafiniranje nafte je drugo ime za frakcijsku destilaciju, postupak u kojem se nafta zagrijava do ključanja da bi se potom postepenim hlađenjem iz njezine pare izdvojile frakcije različitog vrelišta, a te su frakcije – čiste ili pak izmiješanje u prikladnom omjeru – ono što kupujemo pod imenom benzin, plinsko ulje (dizelsko gorivo) i petrolej (kerozin). To je, kao što rekoh, primitivna tehnologija, jer je destilacija starija od piramida: prvi uređaj za destilaciju, koji je služio za priređivanje mirisnih ulja, pronađen je Mezopotamiji – starost mu se procjenjuje na 3.500 do 3.600 godina prije Krista. Usto destilacija zahtijeva velik utrošak energije (topline), koja se dobiva izgaranjem fosilnih goriva, počesto otpada iz same rafinerije.

Frakcijska destilacija, pa tako i frakcijska destilacija nafte, osniva se na odvajanju sastojaka tekućina na temelju razlike u vrelištu. Dublja analiza međutim otkriva da ugljikovodici imaju to niže talište i vrelište što imaju manje molekule. Talište i vrelište alkana raste s brojem atoma u molekuli, a opada s razgranatošću lanca. Najjednostavnije bi bilo reći da vrelišta alkana ovise o veličini molekule (manja molekula – niže vrelište), kad bi veličina molekula bila nešto što se može jasno definirati: molekula nije stvar poput kuće ili čaše.

No kako bilo da bilo, kako god definirali oblik i veličinu molekula, molekule ugljikovodika se frakcijskom destilacijom odvajaju po veličini, a kad je o tome, o veličini, riječ... ima i drugih metoda: najizravnija metoda za odvajanje molekula po veličini je odvajanje na membranama, na molekulskim filtrima.

Ovog je mjeseca u časopisu Science izašao znanstveni rad arapskih znanstvenika (pretežno iz Saudijske Arabije) koji upravo o tome govori. Naslov mu je „Polytriazole membranes with ultrathin tunable selective layer for crude oil fractionation“. Načinili su dakle membranu  („ultrathin tunable selective layer“) koje može odvajati ugljikovodike iz nafte. Sirovinu za membranu čini linerni polimer triazola (PTA-OH) koji sadrži hidoksilne (fenilne) skupine, -OH.  Zahvaljujući tim skupinama lanci se mogu međusobno povezivati.Tako nastaje trodimenzijska mreža, a u mreži se – razumije se – nalaze očice, pore kroz koje  prolaze molekule, no samo molekule određene veličine.

Zašto membrana baš od tog polimera? Zato što je on izuzetno stabilan. Ne otapaju ga organska otapala, a može izdržati i namakanje u koncentriranoj sumpornoj i solnoj kiselini te natrijevoj lužini.

Ugljikovodici u sirovoj nafti (crno) i u permeatu (zeleno) u ovisnosti o broju ugljikovih atoma i broju dvostrukih veza (DBE number)
Ugljikovodici u sirovoj nafti (crno) i u permeatu (zeleno) u ovisnosti o broju ugljikovih atoma i broju dvostrukih veza (DBE number)

Zahvaljujući novoj membrani, bilo je moguće iz sirove nafte izdvojiti frakciju koja je sadržavala 80 – 95 % ugljikovodika s manje od deset ugljikovih atoma, dok je onih najtežih (> C20) bilo samo 1 %. Usto su znanstvenici uočili da se ugljikovodici ne odvajaju samo prema broju ugljikovih atoma, nego i prema broju dvostrukih veza u molekuli. Ako se pak nafta razrijedi toluenom, moguće je odvojiti i teške frakcije. I to sve pri tlaku od samo 15 bara, koji je dvostruko niži od tlaka koji se koristi za desalinizaciju vode. Pri tom tlaku kroz kvadratni metar membrane može za sat proteći 30 litara ugljikovodika (permeata) ako je nafta zagrijana na 30 oC, ili čak 100 litara ako joj je temparatura 65 oC.

Frakcije nafte (Perm), sirova nafta (Feed) i ostatak nakon odvajanja frakcija (Ret)
Frakcije nafte (Perm), sirova nafta (Feed) i ostatak nakon odvajanja frakcija (Ret)

Blagi uvjeti rada i velika protočnost membrane ukazuje na to da bi se nafta mogla prerađivati i u malim postrojenjima koja se ne bi mnogo razlikovala od postrojenja za odsoljavanje vode. To je tim više izvedivo jer je instalirani kapacitet postrojenja za desalinizaciju vode danas veći od kapaciteta rafinerija – 70 milijuna prema 16 milijuna kubičnih metara (100 milijuna barela) dnevno.

No i u budućnosti, u svijetu bez nafte, membrane na bazi PTA-OH dobro će doći – jer se njima mogu odvajati i druge organske tekućine, da ne spominjemo ugljikovodike koji će se proizvoditi „zelenim tehnologijama“, primjerice spajanjem vodika, iz vode, s ugljikovim dioksidom iz zraka.

Nenad Raos je kemičar, doktor prirodnih znanosti i znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, sada u mirovini. Autor je i koautor više od stotinu znanstvenih i stručnih radova iz područja bioanorganske i teorijske kemije, molekularnog modeliranja te povijesti kemije i komunikacijskih vještina u znanosti. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Sada piše za Čovjek i svemir te, naravno, Bug online. Sedam je godina bio glavni i tehnički urednik časopisa Priroda, a danas je glavni urednik mrežnih stranica Panopticum. Koautor je dva sveučilišna udžbenika i autor 13 znanstveno-popularnih knjiga. Nagrađen je Državnom godišnjom nagradom za promidžbu i popularizaciju znanosti 2003. godine.