Una investigación internacional ha desarrollado una tecnología de membranas que podría reducir significativamente la energía necesaria para el refinado del petróleo crudo, al sustituir parte del proceso de destilación centenario. El equipo liderado por el profesor Dong-Yeun Koh de KAIST, en colaboración con el grupo del profesor Ryan Lively en Georgia Tech, demostró una membrana simple y económica capaz de separar petróleo crudo a temperatura ambiente sin necesidad de calentamiento. La investigación fue publicada en Nature.
El petróleo crudo es fundamental para la vida moderna, ya que proporciona no solo combustibles para el transporte, sino también materias primas esenciales para plásticos, materiales de embalaje, textiles e infinidad de productos de consumo. Dado que el coste del refinado influye directamente en el precio de estos productos, las tecnologías que reducen el consumo energético del refinado pueden generar importantes beneficios económicos y medioambientales. Tradicionalmente, las refinerías separan el petróleo crudo mediante la destilación, un proceso que calienta el petróleo crudo por encima de los 350°C para vaporizarlo y luego enfría el vapor para recuperar diferentes fracciones.
A nivel mundial, la destilación de petróleo crudo consume aproximadamente 1100 teravatios-hora (TWh) de energía al año, lo que equivale a la producción anual de unas 130 centrales nucleares, cada una con una capacidad de gigavatios, operando de forma continua. En consecuencia, la destilación sigue siendo una de las principales fuentes de consumo energético y emisiones de gases de efecto invernadero en la industria de la refinación. Al mismo tiempo, la creciente presión sobre los costes en los mercados petroquímicos mundiales ha intensificado la necesidad de tecnologías de separación más eficientes energéticamente.
Dejar que el petróleo crudo dé forma a la membrana
La separación de crudo mediante membranas ha despertado un interés creciente como posible alternativa. Sin embargo, tradicionalmente se ha considerado que una separación molecularmente precisa requiere una capa selectiva ultrafina aplicada sobre la superficie de la membrana. Si bien son eficaces, estos recubrimientos aumentan los costos de fabricación y son propensos a defectos al aplicarse a grandes superficies, lo que limita su implementación industrial.
Para superar este desafío, los investigadores adoptaron un enfoque radicalmente diferente. En lugar de depender de un recubrimiento especializado, hicieron pasar petróleo crudo directamente a través de una membrana porosa de poliacrilonitrilo (PAN) sin recubrimiento, un polímero químicamente estable y económico que se usa comúnmente como material de soporte en membranas industriales.
A medida que el petróleo crudo atraviesa la membrana, los hidrocarburos pesados se depositan selectivamente en las paredes de los poros, estrechándolos gradualmente y creando canales de separación autoensamblados de menos de 2 nanómetros. En lugar de depender de un recubrimiento especialmente diseñado, el propio petróleo crudo creó las vías a nanoescala necesarias para una separación molecular precisa.
A través de estos canales autoformados, las fracciones más ligeras, como la nafta, la gasolina y el queroseno, permearon rápidamente, mientras que los componentes más pesados quedaron retenidos eficazmente. Sorprendentemente, la obstrucción de la membrana —normalmente considerada un fenómeno que degrada el rendimiento— se convirtió en el mecanismo que permitió una separación altamente selectiva. La membrana de PAN sin recubrimiento ofreció tasas de permeación de petróleo crudo aproximadamente 23 veces superiores a las de las membranas de petróleo crudo de última generación reportadas anteriormente, manteniendo un rendimiento estable durante 28 días consecutivos.
El profesor Ryan Lively, del Instituto Tecnológico de Georgia, afirmó: “Uno de los principales desafíos que enfrentan los sistemas de membranas para la separación de petróleo crudo es la baja productividad de las unidades de membrana. Las membranas de PAN, con su sorprendente mecanismo de separación, aumentan drásticamente la productividad de la unidad de membrana, hasta el punto de que la industria debería considerar seriamente la adopción de esta tecnología”.
Grandes recortes sin reemplazar las refinerías
Es importante destacar que la tecnología se puede integrar en la infraestructura de refinería existente como una unidad de filtración modular, lo que evita la sustitución de equipos importantes y reduce las barreras para su adopción industrial. Las simulaciones del proceso demostraron que el uso de la membrana como etapa de pretratamiento antes de la destilación convencional podría reducir el consumo de energía en un 31,6%, las emisiones de dióxido de carbono en un 37,6%, el uso de agua de refrigeración en un 20,7% y los costes operativos en un 36%.
Si se adoptara en todo el sector de refinación y petroquímica de Corea, esta tecnología podría reducir las emisiones de gases de efecto invernadero en aproximadamente 10 millones de toneladas anuales, lo que equivale a las emisiones de unos 4 millones de vehículos de combustión interna. Más allá del refinado de petróleo crudo, la plataforma de membranas podría aplicarse a una amplia gama de procesos de separación química, incluyendo la purificación del aceite de pirólisis derivado de residuos plásticos, la recuperación de disolventes utilizados en la fabricación de baterías, la purificación farmacéutica y la producción de biocombustibles. Los investigadores creen que esta tecnología podría servir como una plataforma versátil para separaciones moleculares de próxima generación en múltiples industrias.
El profesor Dong-Yeun Koh, del KAIST, declaró: “Este estudio revela un nuevo principio científico en el que una membrana interactúa con una mezcla compleja y forma espontáneamente sus propios canales de separación. Trabajar con petróleo crudo real suministrado por HD Hyundai Oilbank nos permitió validar la tecnología en condiciones relevantes para la operación industrial”.
El profesor Jae W. Lee, de KAIST, coautor del estudio, añadió: “Al impulsar la modularización de membranas de gran superficie y la fiabilidad operativa a largo plazo, esperamos ampliar la adopción de procesos basados en membranas en las industrias de refinación y petroquímica”.
Los doctores Jihoon Choi y Hyeokjun Seo, del KAIST y coautores principales del estudio, afirmaron: “Nuestro objetivo es controlar con precisión este fenómeno espontáneo de constricción de poros y desarrollar una plataforma de membranas aplicable a todo el proceso de refinación. También buscamos extender esta tecnología al reciclaje de plásticos, la purificación de biocombustibles y otros procesos químicos sostenibles que contribuyan a la neutralidad de carbono”.
Fuente: Tech Xplore.
