Une nouvelle technologie de membrane développée par une équipe de chercheurs du Georgia Institute of Technology, de l’Imperial College de Londres et d’ExxonMobil pourrait aider à réduire les émissions de carbone et l’intensité énergétique associées au raffinage du pétrole brut. Les tests en laboratoire suggèrent que cette technologie de membrane polymère pourrait remplacer à l’avenir certains processus conventionnels de distillation à base de chaleur.

Le fractionnement des mélanges de pétrole brut par distillation à base de chaleur est un processus à grande échelle et énergivore qui représente près de 1% de la consommation d’énergie mondiale: 1 100 térawattheures par an (TWh / an), ce qui équivaut au total énergie consommée par l’État de New York en un an. En substituant les membranes basse énergie à certaines étapes du processus de distillation, la nouvelle technologie pourrait un jour permettre la mise en place d’un système de raffinage hybride qui pourrait contribuer à réduire émission de dioxyde de carbone et la consommation d’énergie de manière significative par rapport aux procédés de raffinage traditionnels.

« Une grande partie de notre vie moderne vient du pétrole, donc la séparation de ces molécules rend notre civilisation moderne possible », a déclaré MG Finn, professeur et président de la Georgia Tech School of Chemistry and Biochemistry. Finn est également titulaire de la chaire de la famille James A. Carlos pour la technologie pédiatrique. « L’ampleur de la séparation requise pour fournir les produits que nous utilisons est incroyablement grande. Cette technologie de membrane pourrait avoir un impact significatif sur la consommation d’énergie mondiale et les émissions résultant du traitement du pétrole. »

À paraître dans le numéro du 17 juillet du journal Science, le papier serait le premier rapport sur une membrane synthétique spécialement conçue pour la séparation du pétrole brut et des fractions de pétrole brut. Des recherches et développements supplémentaires seront nécessaires pour faire progresser cette technologie à l’échelle industrielle.

La technologie des membranes est déjà largement utilisée dans des applications telles que le dessalement de l’eau de mer, mais la complexité du raffinage du pétrole a jusqu’à présent limité l’utilisation des membranes. Pour surmonter ce défi, l’équipe de recherche a développé un nouveau polymère spirocyclique qui a été appliqué à un substrat robuste pour créer des membranes capables de séparer les mélanges d’hydrocarbures complexes par l’application d’une pression plutôt que de la chaleur.

Les membranes séparent les molécules des mélanges en fonction de différences telles que la taille et la forme. Lorsque les molécules sont de taille très proche, cette séparation devient plus difficile. En utilisant un processus bien connu pour créer des liaisons entre les atomes d’azote et de carbone, les polymères ont été construits en connectant des blocs de construction ayant une structure pliée pour créer des matériaux désordonnés avec des espaces vides intégrés.

L’équipe a pu équilibrer une variété de facteurs pour créer la bonne combinaison de solubilité – pour permettre la formation de membranes par un traitement simple et évolutif – et de rigidité structurelle – pour permettre à certaines petites molécules de passer plus facilement que d’autres. De façon inattendue, les chercheurs ont constaté que les matériaux avaient besoin d’une petite quantité de flexibilité structurelle pour améliorer la discrimination de taille, ainsi que la capacité d’être légèrement « collant » envers certains types de molécules qui se trouvent en abondance dans le pétrole brut.

Après avoir conçu les nouveaux polymères et obtenu un certain succès avec un mélange d’essence synthétique, de carburéacteur et de carburant diesel, l’équipe a décidé d’essayer de séparer un échantillon de pétrole brut et a découvert que la nouvelle membrane était assez efficace pour récupérer l’essence et le carburéacteur du mélange complexe.

« Nous essayions initialement de fractionner un mélange de molécules trop similaires », a déclaré Ben McCool, associé de recherche senior chez ExxonMobil et l’un des co-auteurs du document. « Lorsque nous avons adopté une alimentation plus complexe, le pétrole brut, nous avons obtenu un fractionnement qui semblait provenir d’une colonne de distillation, indiquant le grand potentiel du concept. »

Les chercheurs ont travaillé en collaboration, avec des polymères conçus et testés à Georgia Tech, puis convertis en films de 200 nanomètres d’épaisseur et incorporés dans des modules de membrane à l’Impériale à l’aide d’un processus de rouleau à rouleau. Les échantillons ont ensuite été testés dans les trois organisations, fournissant une confirmation multi-laboratoire des capacités de la membrane.

«Nous avons l’expérience fondamentale de la mise sur le marché de la nanofiltration par solvant organique, une technologie de membrane largement utilisée dans les industries pharmaceutiques et chimiques», a déclaré Andrew Livingston, professeur de génie chimique à l’Impériale. « Nous avons beaucoup travaillé avec ExxonMobil et Georgia Tech pour démontrer le potentiel d’évolutivité de cette technologie aux niveaux requis par l’industrie pétrolière. »

L’équipe de recherche a créé un pipeline d’innovation qui s’étend de la recherche fondamentale à la technologie qui peut être testée dans des conditions réelles.

«Nous avons réuni la science et la chimie de base, les principes fondamentaux de fabrication des membranes appliquées et l’analyse technique du fonctionnement des membranes», a déclaré Ryan Lively, professeur agrégé et professeur John H. Woody à la faculté de génie chimique et biomoléculaire de Georgia Tech. « Nous avons pu passer des poudres à l’échelle du milligramme aux prototypes de modules membranaires dans des facteurs de forme commerciaux qui étaient huile brute… C’était fantastique de voir ce pipeline d’innovation en action. « 

La relation d’ExxonMobil avec Georgia Tech remonte à près de 15 ans et a produit des innovations dans d’autres technologies de séparation, y compris une nouvelle membrane de tamis moléculaire à base de carbone qui pourrait réduire considérablement l’énergie requise pour séparer une classe de molécules d’hydrocarbures appelées alkyl aromatiques.

« Grâce à la collaboration avec des institutions universitaires solides comme Georgia Tech et Imperial, nous travaillons constamment à développer les solutions énergétiques à faibles émissions du futur », a déclaré Vijay Swarup, vice-président de la recherche et du développement chez ExxonMobil Research and Engineering Company.