Эрдэмтэд бөглөрсөн шүүлтүүр нефтийн боловсруулалтыг хувьсгалт өөрчилж чадна гэж олж тогтоов

Судлаачид бүлээлгүйгээр түүхий нефтийг ялгах гайхалтай энгийн аргыг боловсруулжээ. Энэ нь дэлхийн хамгийн их эрчим хүч зарцуулдаг аж үйлдвэрлэлийн процессуудын нэгийг эрс өөрчилж магадгүй юм. Энэхүү нээлт нь үнэтэй биш мембран ашигладаг бөгөөд нефть боловсруулахад шаардагдах эрчим хүчийг мэдезлэн бууруулж, үйл ажиллагааны зардал болон нүүрстөрөгчийн ялгарлыг багасгах боломжтой.

Олон улсын судалгааны ажлыг Солонгосын Шинжлэх Ухаан, Технологийн Дээд Сургууль (KAIST)-ийн профессор Дон-Юн Ко удирдсан бөгөөд Жоржиагийн Технологийн Дээд Сургуулийн (Georgia Tech) профессор Райан Лайвлигийн судлаачдын багтай хамтран ажилласан. KAIST-ийн ерөнхийлөгч Квон Хён Ли баг өрөөний температурт түүхий нефтийг ялгаж чадах мембранийг амжилттай туршсан тухай мэдээлсэн. Дүгнэлтүүд нь дэлхийн тэргүүлэх шинжлэх ухааны сэтгүүлүүдийн нэг болох *Nature*-д нийтлэгдсэн.

Түүхий нефть нь бензин болон бусад тээврийн түлшээс хамаагүй илүү зориулалттай. Мөн энэ нь хуванцар, савлагаа, хувцас болон өдөр тутмын олон бүтээгдэхүүн үйлдвэрлэхэд шаардлагатай түүхий эдийг өгдөг. Боловсруулалтын зардал эдгээр материалын үнэд нөлөөлдөг тул процессыг илүү үр ашигтай болговол эдийн засаг болон байгаль орчинд өргөн хүрээтэй ашиг тустай байж болно.

Уламжлалт түүхий нефть боловсруулалт яагаад ийм их эрчим хүч шаарддаг вэ

Зуу гаруй жилийн турш нефть боловсруулах үйлдвэрүүд түүхий нефтийг хэрэгтэй бүрэлдэхүүн хэсгүүдэд ялгахдаа ихээхэн тулгуурласан. Энэ процесс нь нефтийг 350 °C-аас дээш температурт халааж, түүний нэг хэсгийг уурших, дараа нь эдгээр уурыг хөрөөж өөр өөр фракцуудыг цуглуулахаас бүрдэнэ.

Энэ арга маш их эрчим хүч шаарддаг. Дэлхий даяар түүхий нефтийн нэрэлт жил бүр ойролцоогоор 1100 терават-цаг (TWh) эрчим хүч зарцуулдаг. Энэ нь тасралтгүй ажилладаг, тус бүр ойролцоогоор нэг гигаватт хүчин чадалтай 130 орчим цөмийн эрчim хүчний станцын жилийн нийт цахилгаан үйлдвэрлэлтэй тэнцэнэ.

Энэхүү их хэмжээний эрчим хүчний хэрэглээ нь нэрэлтийг түлшний хэрэглээ болон хүлэмжийн хийн ялгарлын гол шалтгаан болгож байна. Үүний зэрэгцээ дэлхийн нефть-химийн зах зээлийн эдийн засгийн дарамт нэмэгдэж, нефтийг илүү үр ашигтай ялгах технологид сонирхол улам бүр нэмэгдэж байна.

Мембранууд нь уламжлалт нэрэлтэд шаардагддаг хэт өндөр температур шаардалгүйгээр бодисыг ялгаж чаддаг тул найдвартай хувилбар болон гарч ирсэн. Гэвч өмнөх загварууд ноцтой саад бэрхшээлтэй тулгарч байсан.

Уламжлалт байдлаар судлаачид молекулыг үр дүнтэй ялгахын тулд маш нимгэн, тусгай бүрээстэй мембран шаардлагатай гэж үздэг байсан. Эдгээр бүрээс нь шаардлагатай нарийвчлалыг хангаж чадах ч үйлдвэрлэхэд үнэтэй бөгөөд нэлээд хэмжээгээр үйлдвэрлэхэд гэмтэл гарч болзошгүй. Эдгээр хязгаарлалтууд нь аж үйлдвэрт өргөн нэвтрүүлэхэд хүндрэл учруулсан.

Бөглөрсөн шүүлтүүр ашиг болж хувирсан гайхалтай нээлт

KAIST болон Georgia Tech-ийн судлаачид асуудалд өөр байдлаар хандсан. Нарийн бүрээс нэмэхийн оронд тэд порист полиакрилонитрил (PAN)-аас хийсэн бүрээсгүй мембран ашигласан. Энэ нь үнэ хямд, химийн хувьд тогтвортой полимер бөгөөд аж үйлдвэрийн шүүлтүүрийн системд аль хэдийн тулгуур материал болгон өргөн ашиглагддаг.

Түүхий нефть мембранаар дамжих үед юу болсон нь санамсаргүй байв.

Нефть нүхээр урсах үед хүнд нүүрсустөрөгчийн молекулууд дотоод хананд хуримтлагдсан. Энэ хуримтлал нь нүхний хэмжээг аажмаар багасгаж, 2 нанометрээс бага өргөнтэй маш нарийн сувгуудыг бий болгосон.

Үр дүнд нь түүхий нефть өөрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ялгах шаардлагатай жижиг сувгуудыг өөрөө үүсгэсэн гэж хэлж болно.

Эдгээр байгалийн жамаар үүссэн сувгууд нь нафта, бензин, керосин зэрэг хөнгөн нефтийн фракцуудыг хурдан өнгөрөх боломжийг олгосон бол хүнд бодисууд мембранаар амархан дамжихгүй байв.

Мембраны нүхэнд материал хуримтлагдах үзэгдэл буюу фаулинг нь ихэвчлэн ноцтой асуудал гэж үздэг тул энэ нээлт онцгой гайхалтай байв. Фаулинг нь ихэвчлэн шүүлтүүрийн гүйцэтгэлийг бууруулж, цэвэрлэх эсвэл солих шаардлагатай болгодог. Гэтэл энэ тохиолдолд ижил үзэгдэл нь мембраныг өөр өөр молекулуудыг ялгахад маш үр дүнтэй болгосон.

Үр дүн маш гайхамшигтай байв. Бүрээсгүй PAN мембран нь өмнөх тэргүүлэгч түүхий нефть ялгах мембранаас ойролцоогоор 23 дахин өндөр нефть нэвтрүүлэх хурдтай байв. Мөн тогтвортой гүйцэтгэлтэйгээр 28 хоног дараалан ажилласан.

Профессор Райан Лайвли (Georgia Tech) сэтгэгдлээ хэлэхдээ: "Түүхий нефть ялгах мембран системүүдийн гол бэрхшээлүүдийн нэг нь мембраны нэгжүүдийн бага бүтээмж байсан. Гайхалтай ялгах механизмтай PAN мембранууд мембраны нэгжийн бүтээмжийг эрс нэмэгдүүлсэн тул аж үйлдвэр энэ технологийг нухацтай авч үзэх ёстой."

Шинэ мембран нефть боловсруулах эрчим хүчний хэрэглээг гуравны нэгээр бууруулж чадна

Технологийн хамгийн том давуу тал нь нефть боловсруулах үйлдвэрүүд одоо байгаа тоног төхөөрөмжөө заавал солих шаардлагагүй байх явдал юм.

Мембранийг модуль хэлбэрийн шүүлтүүрийн систем болгон суурилуулж, түүхий нефтийг уламжлалт нэрэлтийн тоног төхөөрөмжид орохоос өмнө боловсруулж болно. Энэ нь халаалт болон ялгах үе шатанд шаардагдах ажлыг бууруулж, байгууламжуудад одоогийн дэд бүтцийнхээ ихэнх хэсгийг үргэлжлүүлэн ашиглах боломжийг олгоно.

Компьютерийн симуляцууд нь мембранийг боловсруулалтын процессод нэвтрүүлэх нь ихээхэн сайжруулалт авчирч чадахыг харуулж байна. Эрчим хүчний хэрэглээ 31,6%-иар буурч, нүүрстөрөгчийн давхар ислийн ялгарал 37,6%-иар буурч болно. Мөн тооцоолол нь хөргөлтийн усны хэрэглээ 20,7%-иар буурч, үйл ажиллагааны зардал 36%-иар буурахыг урьдчилан харуулсан.

Технологийг өргөн нэвтрүүлбэл байгаль орчинд учрах эерэг нөлөө ихээхэн байж болно.

Судлаачдын тооцоолсноор Солонгосын нефть боловсруулах болон нефть-химийн үйлдвэрүүдэд энэ системийг нэвтрүүлбэл жил бүр ойролцоогоор 10 сая тонн хүлэмжийн хийн ялгарлыг бууруулах боломжтой. Энэ нь дотоод шаталтат хөдөлгүүрээр ажилладаг дөрван сая тээврийн хэрэгслийн жилийн ялгарлтай тэнцүү юм.

Эдгээр хэмнэлт нь үйл ажиллагаанд байгаа нефть боловсруулах үйлдвэрүүдэд аль хэдийн харуулсан бууралт биш, харин процессын симуляцид суурилсан тооцоолол юм. Гэсэн хэдий ч дүгнэлтүүд нь мембран шүүлт одоо байгаа байгууламжуудын үр ашгийг сайжруулах практик арга болж чадна гэдгийг харуулж байна.

Нефть боловсруулахаас гадуурх хэрэглээ

Түүхий нефтийг ялгах нь судалгааны гол чиглэл байсан ч ижил технологи ирээдүйд бусад хэд хэдэн салбарт ашиг тустай байж болно.

Нэг боломжит хэрэглээ нь дахин боловсруулахын тулд хог хаягдлын хуванцарыг задлахад үүсэх пиролизийн тосыг боловсруулахтай холбоотой. Мембранууд мөн батерейн үйлдвэрлэлд ашигладаг уусгагчийг сэргээх, эмийн нэгдлүүдийг цэвэршүүлэх, биотүлшний үйлдвэрлэлийг сайжруулахад тусалж болно.

Илүү өргөн боломж нь нарийн бүтэцтэй шингэн хольцуудыг ашиглан тэдгээрийн бүрэлдэхүүн хэсгүүдийг ялгахад шаардлагатай жижиг шүүлтүүрийн сувгуудыг бүрдүүлэхэд оршино. Энэ арга нь нарийн гадаргуугийн бүрээс шаарддаг уламжлалт мембранаас илүү хямд бөгөөд олон талт сонголт болж чадна.

KAIST-ийн профессор Дон-Юн Ко хэлэхдээ: "Энэхүү судалгаа нь мембран нарийн бүтэцтэй хольцтой харилцан үйлчлэлцэж, өөрөө ялгах сувгуудаа бий болгодог шинэ шинжлэх ухааны зарчмыг илрүүлсэн. HD Hyundai Oilbank-аас нийлүүлсэн жинхэнэ түүхий нефтийг ашигласнаар технологийг аж үйлдвэрийн нөхцөлд шалгаж баталгаажуулах боломж бидэнд олгогдсон."

Жинхэнэ түүхий нефть ашигласан нь судалгааны чухал хэсэг байсан, учир нь энэ нь аж үйлдвэрийн түүхий эдэд агуулагддаг нарийн нүүрсустөрөгчийн хольцтой мембран хэрхэн ажилладагийг судлах боломжийг олгосон.

Технологийг илүү өргөн нэвтрүүлэхээс өмнө судлаачид том хэмжээний мембран үйлдвэрлэлийг сайжруулж, урт хугацааны ажиллагааны найдвартай байдлыг тогтоохоор төлөвлөж байна.

KAIST-ийн профессор Жэ В. Ли, судалгааны хамтран захидлын зохиогч нь нэмж хэлэхдээ: "Том талбайтай мембраныг модульчлах болон урт хугацааны ажиллагааны найдвартай байдлыг дээшлүүлснээр нефть боловсруулах болон нефть-химийн салбарт мембран дээр суурилсан процессууд илүү өргөн нэвтрэх болно гэж найдаж байна."

KAIST-ийн доктор Жихүн Чой болон доктор Хёкжүн Сон нарын судалгааны хамтран анхны зохиогчид хэлэхдээ: "Бидний зорилго бол энэхүү өөрийн эрхгүй нүх нарийсах үзэгдлийг нарийвчлан хянаж, нефть боловсруулах бүх процесст хэрэглэж болох мембраны платформ болгон хөгжүүлэх юм. Бид мөн технологийг хуванцар дахин боловсруулалт, биотүлшний цэвэршүүлэлт болон карбон саармаг байдлыг дэмжих бусад тогтвортой химийн процессуудад өргөтгөхийг зорьж байна."

Энэхүү судалгаа Солонгосын Шинжлэх ухаан, ICT яамны Залуу эрдэмтдийн үндсэн судалгааны хөтөлбөр болон Инженерийн судалгааны төвийн (ERC) хөтөлбөрийн дэмжлэгийг хүлээн авсан.