Os pesquisadores desenvolveram uma maneira surpreendentemente simples de separar o petróleo bruto sem aquecê-lo, transformando potencialmente um dos processos industriais com maior consumo de energia do mundo. A inovação utiliza uma membrana barata que poderia reduzir significativamente a energia necessária para o refino de petróleo, ao mesmo tempo que reduz os custos operacionais e as emissões de carbono.
O esforço de pesquisa internacional foi liderado pelo professor Dong-Yeun Koh do Instituto Avançado de Ciência e Tecnologia da Coreia, conhecido como KAIST, em colaboração com o grupo de pesquisa do professor Ryan Lively na Georgia Tech. KAIST (Presidente Kwang Hyung Lee) anunciou que a equipe demonstrou com sucesso uma membrana capaz de separar petróleo bruto à temperatura ambiente. As descobertas foram publicadas em Naturezauma das principais revistas científicas do mundo.
O petróleo bruto é essencial para muito mais do que a gasolina e outros combustíveis de transporte. Também fornece as matérias-primas utilizadas na fabricação de plásticos, embalagens, roupas e diversos produtos de uso diário. Dado que os custos de refinação afectam os preços destes materiais, tornar o processo mais eficiente poderia trazer benefícios económicos e ambientais generalizados.
Por que o refino tradicional de petróleo bruto requer tanta energia
Durante mais de um século, as refinarias de petróleo confiaram fortemente na destilação para separar o petróleo bruto em componentes úteis. O processo envolve aquecer o óleo a temperaturas acima de 350 °C, transformar partes dele em vapor e, em seguida, resfriar esses vapores para coletar diferentes frações.
Esta abordagem requer uma enorme quantidade de energia. Em todo o mundo, a destilação de petróleo bruto consome aproximadamente 1.100 terawatts-hora (TWh) anualmente. Isto é comparável à produção anual combinada de electricidade de cerca de 130 centrais nucleares em funcionamento contínuo, cada uma com uma capacidade de cerca de um gigawatt.
A enorme procura de energia faz da destilação um dos principais contribuintes para o consumo de combustível e para as emissões de gases com efeito de estufa na indústria de refinação. Entretanto, as crescentes pressões económicas nos mercados petroquímicos globais aumentaram o interesse em tecnologias que possam separar o petróleo de forma mais eficiente.
As membranas surgiram como uma alternativa promissora porque podem separar substâncias sem exigir as temperaturas extremas usadas na destilação convencional. No entanto, os projetos anteriores enfrentaram obstáculos significativos.
Tradicionalmente, os pesquisadores presumiram que a separação molecular eficaz requer uma membrana coberta com um revestimento especializado extremamente fino. Embora esses revestimentos possam fornecer a precisão necessária, sua produção é cara e podem desenvolver defeitos quando fabricados em larga escala. Essas limitações dificultaram a adoção industrial generalizada.
Uma descoberta surpreendente transforma filtros entupidos em uma vantagem
Os pesquisadores do KAIST e da Georgia Tech abordaram o problema de forma diferente. Em vez de adicionar um revestimento complicado, eles usaram uma membrana nua feita de poliacrilonitrila porosa (PAN), um polímero barato e quimicamente estável, já comumente usado como material de suporte em sistemas de filtração industrial.
O que aconteceu quando o petróleo bruto passou através da membrana foi inesperado.
À medida que o óleo fluía pelos poros, moléculas de hidrocarbonetos mais pesadas acumulavam-se ao longo das paredes internas. Esse acúmulo reduziu gradualmente o tamanho das aberturas, produzindo canais extremamente estreitos, medindo menos de 2 nanômetros de diâmetro.
Com efeito, o petróleo bruto ajudou a criar os caminhos microscópicos necessários para separar os seus próprios componentes.
Esses canais formados naturalmente permitiam que frações mais leves de petróleo, incluindo nafta, gasolina e querosene, passassem rapidamente, evitando que substâncias mais pesadas viajassem através da membrana com a mesma facilidade.
A descoberta foi especialmente surpreendente porque o acúmulo de material dentro dos poros da membrana, conhecido como incrustação, é normalmente considerado um problema sério. A incrustação normalmente reduz o desempenho da filtração e requer limpeza ou substituição. Neste caso, porém, o mesmo fenômeno tornou a membrana altamente eficaz na separação de diferentes moléculas.
Os resultados foram impressionantes. A membrana PAN não revestida alcançou taxas de permeação de petróleo bruto aproximadamente 23 vezes maiores do que aquelas relatadas para as principais membranas de separação de petróleo bruto anteriores. Também continuou operando com desempenho estável por 28 dias consecutivos.
O professor Ryan Lively (Georgia Tech) comentou: “Um dos principais desafios enfrentados pelos sistemas de membrana para separação de petróleo bruto foi a baixa produtividade das unidades de membrana – as membranas PAN com seu surpreendente mecanismo de separação – aumentando dramaticamente a produtividade da unidade de membrana, a tal ponto que a indústria deveria considerar seriamente a adoção da tecnologia.”
Nova membrana pode reduzir o uso de energia no refino de petróleo em quase um terço
Uma das maiores vantagens da tecnologia é que as refinarias não precisariam necessariamente substituir os equipamentos existentes para utilizá-la.
Em vez disso, a membrana poderia ser instalada como um sistema de filtração modular que processa o petróleo bruto antes de entrar no equipamento de destilação convencional. Isto reduziria a quantidade de trabalho necessária durante as fases de aquecimento e separação, permitindo ao mesmo tempo que as instalações continuassem a utilizar grande parte da sua infra-estrutura actual.
Simulações de computador sugerem que a incorporação da membrana no processo de refino poderia proporcionar melhorias substanciais. O consumo de energia poderá diminuir 31,6%, enquanto as emissões de dióxido de carbono poderão diminuir 37,6%. Os mesmos cálculos projetavam uma redução de 20,7% no consumo de água de refrigeração e uma redução de 36% nos custos operacionais.
Os potenciais benefícios ambientais poderiam ser consideráveis se a tecnologia fosse amplamente adotada.
Os investigadores estimam que a implementação do sistema em todas as indústrias de refinação e petroquímica da Coreia poderia evitar aproximadamente 10 milhões de toneladas de emissões de gases com efeito de estufa por ano. Isto é aproximadamente equivalente às emissões anuais produzidas por quatro milhões de veículos movidos por motores de combustão interna.
Estas poupanças são projeções baseadas em simulações de processos, e não em reduções já demonstradas nas refinarias em operação. No entanto, os resultados sugerem que a filtração por membrana pode tornar-se uma forma prática de melhorar a eficiência das instalações existentes.
Aplicações além do refino de petróleo
Embora a separação do petróleo bruto tenha sido o foco principal da pesquisa, a mesma tecnologia poderá eventualmente ser útil em diversas outras indústrias.
Uma aplicação potencial envolve o tratamento do óleo de pirólise produzido quando os resíduos de plástico são decompostos para reciclagem. As membranas também poderiam ajudar a recuperar solventes usados na fabricação de baterias, purificar compostos farmacêuticos e melhorar a produção de biocombustíveis.
A oportunidade mais ampla reside no uso de misturas líquidas complexas para ajudar a formar os minúsculos canais de filtração necessários para separar seus componentes. Esta abordagem poderia fornecer uma alternativa mais acessível e versátil às membranas convencionais que requerem revestimentos de superfície fabricados com precisão.
O professor Dong-Yeun Koh da KAIST disse: “Este estudo revela um novo princípio científico no qual uma membrana interage com uma mistura complexa e forma espontaneamente seus próprios canais de separação. Trabalhar com petróleo bruto real fornecido pelo HD Hyundai Oilbank nos permitiu validar a tecnologia sob condições relevantes para a operação industrial.”
O uso de petróleo bruto real foi uma parte importante da pesquisa porque permitiu à equipe examinar o desempenho da membrana com a complicada mistura de hidrocarbonetos encontrada em matérias-primas industriais.
Antes que a tecnologia possa ser implantada de forma mais ampla, os pesquisadores planejam melhorar a produção de membranas em escalas maiores e estabelecer sua confiabilidade durante operação prolongada.
O professor Jae W. Lee da KAIST, co-autor correspondente do estudo, acrescentou: “Ao avançar na modularização de membranas de grandes áreas e na confiabilidade operacional de longo prazo, esperamos ampliar a adoção de processos baseados em membranas em todas as indústrias de refino e petroquímica.”
Jihoon Choi e Dr. Hyeokjun Seo do KAIST, os co-autores do estudo, disseram: “Nosso objetivo é controlar com precisão esse fenômeno espontâneo de constrição de poros e desenvolvê-lo em uma plataforma de membrana aplicável a todo o processo de refino. Também pretendemos expandir a tecnologia para reciclagem de plástico, purificação de biocombustíveis e outros processos químicos sustentáveis que apoiam a neutralidade de carbono.”
A pesquisa recebeu apoio do Ministério da Ciência e TIC da Coreia por meio do Programa de Pesquisa Básica para Pesquisadores de Destaque em Início de Carreira e do Programa do Centro de Pesquisa em Engenharia (ERC).
Fonte: ScienceDaily
