طور باحثون من كوريا الجنوبية والولايات المتحدة غشاءً مساميًا من البولياكريلونيتريل (PAN) قادرًا على فصل مكونات النفط الخام في درجة حرارة الغرفة، ما قد يقلل بشكل كبير من استهلاك الطاقة والتكاليف والانبعاثات في مصافي التكرير.
كيف يعمل الغشاء الجديد لفصل النفط الخام
قادت البحث فريقان من معهد كوريا المتقدم للعلوم والتقنية (KAIST) وجامعة جورجيا تك، وصنعا غشاءً غير مطلي من بوليمر PAN منخفض التكلفة ومستقر كيميائيًا. يعتمد عمل الغشاء على تفاعل النفط مع مسام المادة؛ إذ تتراكم جزيئات الهيدروكربونات الثقيلة على الجدران الداخلية للمسام، فتضيق قطرها تدريجيًا لتشكل قنوات دون 2 نانومتر. تسمح هذه القنوات بمرور الكسور الخفيفة مثل النافتا والبنزين والكيروسين بسرعة، بينما تعيق مرور الهيدروكربونات الثقيلة.
استهلاك الطاقة في التقطير التقليدي
لأكثر من قرن، اعتمدت المصافي على التقطير الحراري الذي يسخن الخام فوق 350 درجة مئوية ثم يبرد الأبخرة. يستهلك التقطير العالمي نحو 1100 تيراوات/ساعة سنويًا، أي ما يعادل إنتاج 130 محطة نووية بقدرة جيجاواط. تقدم تقنية الأغشية بديلًا يفصل المكونات سائلًا دون حرارة عالية.
تحول التلوث إلى ميزة
في الأغشية التقليدية، يعد ترسب المواد في المسام (التلوث) عيبًا يقلل الأداء. لكن هنا استغل الباحثون الظاهرة: ترسب الهيدروكربونات الثقيلة يضيق المسام ذاتيًا ويخلق قنوات انتقائية تسرع مرور الكسور الخفيفة. حقق غشاء PAN معدلات نفاذية تفوق الأغشية المتقدمة بنحو 23 مرة، وحافظ على استقرار التشغيل 28 يومًا متواصلًا.
فوائد محتملة للمصافي
تقترح الدراسة دمج الغشاء كوحدة ترشيح معيارية قبل مراحل التقطير الحراري، مما يخفف الحمل على الوحدات الحالية. أظهرت المحاكاة الحاسوبية تخفيضات محتملة: 31.6% في استهلاك الطاقة، 37.6% في انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، 20.7% في مياه التبريد، و36% في التكاليف التشغيلية. تقدر الانتشار الواسع في كوريا بتجنب 10 ملايين طن من غازات الاحتباس الحراري سنويًا، علماً أن هذه أرقام محاكاة وليست نتائج منشآت تجارية بعد.
تطبيقات في صناعات أخرى
يمتد مبدأ العمل إلى فصل خلطات سائلة معقدة في قطاعات أخرى، منها معالجة زيوت الانحلال الحراري من النفايات البلاستيكية، واسترجاع المذيبات في صناعة البطاريات، وتنقية المركبات الدوائية، وعمليات إنتاج الوقود الحيوي وتنقيته. ميزة الغشاء تكمن في استغلال خصائص السوائل ذاتها لتشكيل قنوات فصل دقيقة، مما قد يغني عن طلاءات مكلفة.
خطوات تطوير مستقبلية
نُشرت النتائج في دورية Nature، وأجريت الاختبارات على خام حقيقي من شركة HD Hyundai Oilbank. يركز الفريق القادم على تحسين التصنيع لإنتاج أغشية بمساحات أكبر، وتطوير وحدات تعمل بثقة لفترات أطول، والتحكم الدقيق في تشكل القنوات التلقائي، والتحقق من ثبات الأداء عند التوسع الصناعي.