새로운 기술은 더 저렴하고 더 적은 비용을 제공할 수 있습니다.

재생 가능한 에너지원을 향한 노력에도 불구하고 석유는 여전히 현대 사회의 중추로 남아 있습니다. 이는 열과 운송을 위한 연료와 플라스틱에서 의약품에 이르기까지 모든 화학 물질을 제공합니다. 그러나 이러한 모든 용도에는 원유를 다양한 구성 요소로 분리해야 합니다. 전통적으로 열에 의존하는 분리 과정은 엄청난 양의 에너지를 필요로 하며 매년 전 세계 온실가스 배출량의 약 1%를 차지합니다.

이제 화학자들은 새로 개발된 물질이 언젠가는 눈에 보이지는 않지만 상당한 양의 탄소 발자국을 줄이는 데 도움이 될 것이라고 말합니다. 탄소 발자국은 매년 약 230기가와트를 소비하는데, 이는 네바다 주의 총 에너지 소비량에 해당합니다. 연구원들은 이번 주에 새로운 막의 규모가 확대되면 원유를 분리하는 데 필요한 에너지를 절반 이상 줄일 수 있다고 보고했습니다. 이러한 막은 원유 사용을 더욱 친환경적으로 만들 뿐만 아니라 정유소의 생산 비용도 더 저렴하게 만들어 연간 수십억 달러의 에너지 비용을 절약할 수 있습니다.

새로운 작업에는 참여하지 않았지만 Georgia Institute of Technology의 화학 엔지니어인 Ryan Lively는 "잠재적인 절감 효과는 매우 인상적입니다."라고 말했습니다. 그는 새로운 멤브레인이 몇 년은 아니더라도 몇 달 동안 내구성이 입증되어야 한다고 덧붙였습니다. 그와 다른 사람들은 또한 기업들이 이미 기존 분리 시스템을 설치하는 데 비용을 투자했기 때문에 기존 정유업체에서는 이를 채택하는 데 시간이 걸릴 수 있다고 경고합니다. 그러나 Lively는 새로운 멤브레인이 바이오 연료나 재생 가능한 전기를 사용하여 만든 합성 연료에서 생성된 탄화수소 혼합물을 분리하기 위해 건설된 새로운 정유소에 신속하게 채택될 수 있다고 말합니다. Lively는 "정말 잘 익은 영역입니다."라고 말합니다.

원유는 수만 가지 화학 물질의 혼합물입니다. 석유 정제의 첫 번째 단계는 증류 과정을 통해 혼합물을 분리하는 것입니다. 원유는 약 500°C까지 가열됩니다. 휘발유를 구성하는 것과 같은 가벼운 구성 요소는 더 낮은 온도에서 기화되어 포착됩니다. 가정용 난방유와 같은 무거운 구성요소는 더 높은 온도에서 기화됩니다.

2년 전, 런던 퀸 메리 대학의 화학 엔지니어인 Lively와 Andrew Livingston이 이끄는 연구원들은 증류가 아닌 막을 사용하여 이러한 성분을 분리하는 것이 가능하다고 Science에 보고했습니다. 그들은 작고 가벼운 탄화수소는 통과시키고 크고 무거운 탄화수소는 통과시킬 수 있는 구멍이 내장된 막을 만들었습니다. 그러나 경질 탄화수소는 멤브레인을 너무 느리게 통과하여 실제 사용이 불가능했습니다.

이 문제를 해결하기 위해 Livingston과 그의 동료들은 계면 중합이라고 불리는 초박형 물 담수화 막을 만들기 위한 산업적 접근 방식으로 전환했습니다. 그들은 더 얇은 막이 원하는 탄화수소가 더 빨리 통과할 수 있기를 바랐습니다. 그러나 Livingston은 담수화에 일반적으로 사용되는 막은 수성 환경에서는 견고하지만 산업용 용매를 포함하는 탄화수소에 노출되면 빠르게 부서진다고 지적합니다.

그래서 그와 동료들은 기존 막을 구성하는 고분자를 개량했습니다. 먼저, 그들은 소수성 또는 기름과 같은 부분을 친수성 또는 물과 같은 가닥에 연결하는 개별 중합체를 만들었습니다. 그들이 기름과 물의 혼합물에 이 분자들을 첨가했을 때, 그들은 소수성 부분이 안쪽을 향하는 작은 거품, 즉 소포로 자발적으로 모여들었습니다. 그런 다음 그들은 계면 중합 기술을 사용하여 이러한 소포를 연속적인 초박형 시트로 확산시키고 모든 폴리머 단위를 함께 연결하여 견고한 막을 형성했습니다.

이 접근 방식은 효과가 있었습니다. 소포의 소수성 코어는 선택된(크기 및 기타 특성에 따라) 탄화수소가 이전 오일 분리막보다 약 10배 빠른 속도로 쉽게 통과할 수 있도록 허용했다고 Livingston과 그의 동료들이 어제 Science에 보고했습니다. 연구진은 또한 폴리머의 화학적 구성을 조정함으로써 다양한 크기의 탄화수소를 선택적으로 통과하는 다양한 막을 만들 수 있음을 보여주었습니다.