طوّر باحثون دوليون بقيادة البروفيسور دونغ-يون كوه من المعهد الكوري المتقدم للعلوم والتقنية (KAIST) بالتعاون مع مجموعة البروفيسور رايان لايفلي في معهد جورجيا للتقنية، غشاءً بسيطًا قادرًا على فصل مكونات النفط الخام دون تسخين، في اختراق قد يغيّر واحدة من أكثر العمليات الصناعية استهلاكًا للطاقة في العالم.
آلية عمل الغشاء الجديد
استخدم الفريق غشاءً غير مطلي مصنوعًا من البولي أكريلونيتريل المسامي (PAN)، وهو بوليمر رخيص ومستقر كيميائيًا ويُستخدم عادةً مادةً داعمة في أنظمة الترشيح الصناعية. عند مرور النفط الخام عبر مسام الغشاء، تتراكم جزيئات الهيدروكربون الأثقل على الجدران الداخلية، مما يضيق الفتحات لتصل إلى أقل من نانومترين، فتتشكّل قنوات مجهرية تسمح بمرور الكسور الأخف مثل النافتا والبنزين والكيروسين، بينما تعيق مرور المواد الأثقل.
هذه الظاهرة المعروفة بـ "التلوث" (fouling) والتي تُعد عادةً مشكلة تقلل أداء الأغشية، تحوّلت هنا إلى ميزة جعلت الغشاء فعالًا للغاية في الفصل الجزيئي. حقق غشاء PAN غير المطلي معدلات نفاذ للنفط الخام أعلى بنحو 23 مرة من الأغشية الرائدة السابقة، مع الحفاظ على أداء مستقر لمدة 28 يومًا متواصلًا.
توفير كبير في الطاقة والانبعاثات
تعتمد مصافي التكرير منذ أكثر من قرن على التقطير الذي يتطلب تسخين النفط إلى أكثر من 350 درجة مئوية، مستهلكًا حوالي 1100 تيراواط/ساعة سنويًا عالميًا، أي ما يعادل إنتاج نحو 130 محطة نووية تعمل باستمرار. تشير المحاكاة الحاسوبية إلى أن دمج الغشاء الجديد كوحدة ترشيح معيارية قبل التقطير التقليدي يمكن أن يخفض استهلاك الطاقة بنسبة 31.6%، وانبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 37.6%، واستهلاك مياه التبريد بنسبة 20.7%، وتكاليف التشغيل بنسبة 36%.
إذا طُبّق النظام في صناعات التكرير والبتروكيماويات في كوريا وحدها، يمكن تجنب نحو 10 ملايين طن من انبعاثات غازات الاحتباس الحراري سنويًا، أي ما يعادل انبعاثات أربعة ملايين مركبة تعمل بمحركات احتراق داخلي.
تطبيقات واعدة تتجاوز التكرير
أشار الباحثون إلى أن التقنية نفسها قد تفيد في معالجة زيت الانحلال الحراري الناتج من إعادة تدوير البلاستيك، واستعادة المذيبات في تصنيع البطاريات، وتنقية المركبات الصيدلانية، وتحسين إنتاج الوقود الحيوي. المبدأ الأوسع يكمن في استخدام المخاليط السائلة المعقدة لتكوين قنوات الترشيح النانوية تلقائيًا، بديلًا عن الطلاءات السطحية الدقيقة المكلفة.
أكد البروفيسور دونغ-يون كوه أن استخدام نفط خام حقيقي مُورّد من شركة HD Hyundai Oilbank مكّن الفريق من التحقق من التقنية في ظروف تشغيلية صناعية. ويخطط الباحثون لتحسين إنتاج الأغشية على نطاق واسع وإثبات موثوقيتها في التشغيل طويل الأمد تمهيدًا لنشر أوسع في صناعات التكرير والبتروكيماويات.
