В статье комментария, опубликованной 26 апреля в журнале Nature, два исследователя из Технологического института штата Джорджия предлагают семь энергоемких процессов разделения, которым они верят, должны быть главные цели исследования низкоэнергетических технологий очистки. Вне сокращения использования энергии улучшенные методы для отделения химикатов от смесей также уменьшили бы загрязнение, сократили бы выделения углекислого газа – и открыли бы новые способы получить критические ресурсы мировые потребности.Технологии, применимые к тем процессам разделения, на переменных этапах развития, отмечают авторы.
Эти альтернативные процессы теперь слаборазвитые или дорогие, чтобы расшириться, и создание их выполнимый для крупномасштабного использования могло потребовать значительных инвестиций в научные исследования.«Мы хотели подчеркнуть, сколько из энергии в мире используется для химических разделений и пункта в некоторые области, где большие достижения могли потенциально быть сделаны, расширив исследование в этих областях», сказали Дэвид Шолл, один из авторов статьи и председателя Школы Технологического института Джорджии Химической & Биомолекулярной Разработки. «Эти процессы в основном невидимы для большинства людей, но есть большие потенциальные вознаграждения – и к энергии и к окружающей среде – для развития улучшенных процессов разделения в этих областях».В Соединенных Штатах, заменяя нетепловыми подходами очищение химикатов мог уменьшить энергетические затраты на $4 миллиарда в год в нефти, химической и одни только бумажные промышленные секторы.
Есть также потенциал для сокращения выделений углекислого газа на 100 миллионов тонн в год.«Химические разделения составляют приблизительно половину всего американского промышленного использования энергии», отметил Райан Ливели, доцент в Школе Технологического института Джорджии Химической & Биомолекулярной Разработки и второго автора статьи. «Развитие альтернатив, которые не используют тепло, могло существенно повысить эффективность 80 процентов процессов разделения, которые мы теперь используем».Названный «семь химических разделений, чтобы изменить мир», список не предназначен, чтобы быть исчерпывающим, но включает:
Углеводороды от сырой нефти. Углеводороды от сырой нефти – главные ингредиенты для того, чтобы сделать топливо, пластмассы и полимеры – ключи к экономике потребления в мире. Каждый день, примечания к статье, нефтеперерабатывающие заводы во всем мире обрабатывают приблизительно 90 миллионов баррелей сырой нефти, главным образом используя атмосферные процессы дистилляции, которые потребляют приблизительно 230 гигаватт энергии в год, эквивалента полного потребления энергии 2014 года Соединенного Королевства. Дистилляция включает нагревание нефти и затем завоевание различных комплексов, поскольку они испаряются в различных точках кипения.
Нахождение альтернатив трудное, потому что нефть сложна химически и должна сохраняться при высоких температурах, чтобы держать толстое сырое течение.Уран от морской воды. Ядерная энергия могла обеспечить дополнительное электричество, не повышая выбросы углерода, но запасы уранового топлива в мире ограничены. Однако больше чем четыре миллиарда тонн элемента существуют в океанской воде.
Отделение урана от океанской воды осложнено присутствием металлов, таких как ванадий и кобальт, которые захвачены наряду с ураном в существующих технологиях. Процессы, чтобы получить уран из морской воды были продемонстрированы в мелких масштабах, но те должны будут быть расширены, прежде чем они смогут сделать существенный вклад в расширение ядерной энергии.Алкены от алканов. Производство определенных пластмасс требует алкенов – углеводороды, такие как этан и пропилен, полное ежегодное производство которого превышает 200 миллионов тонн.
Разделение этена от этана, например, как правило требует криогенной дистилляции с высоким давлением при низких температурах. Гибридные методы разделения, которые используют комбинацию мембран и дистилляции, могли уменьшить использование энергии фактором два или три, но большие объемы мембранных материалов – до одного миллиона квадратных метров на единственном химическом заводе – могли требоваться для увеличения масштаба.Парниковые газы от разведенной эмиссии. Выбросы углекислого газа и углеводородов, таких как метан способствуют глобальному изменению климата.
Удаление этих комплексов из разведенных источников, таких как эмиссия электростанции может быть сделано, используя жидкие материалы амина, но удалять углекислый газ от того материала требует тепла. Необходимы менее дорогостоящие методы для удаления углекислого газа.Редкоземельные металлы от руд.
Элементы редкоземельных элементов используются в магнитах, катализаторах и высокоэффективном освещении. Хотя эти материалы не действительно редки, получение их трудное, потому что они существуют в количествах следа, которые должны быть отделены от руд, используя сложные механические и химические процессы.Производные бензола друг от друга.
Бензол и его производные важны для производства многих полимеров, пластмасс, волокон, растворителей и топливных добавок. Эти молекулы теперь отделены, используя колонки дистилляции с объединенным ежегодным энергетическим использованием приблизительно 50 гигаватт.
Достижения в мембранах или сорбентах могли значительно уменьшить эти энергетические инвестиции.Загрязнители следа от воды. Опреснение воды уже очень важно для удовлетворения потребности для пресной воды в некоторых частях мира, но процесс – и энергия и капиталоемкий, независимо от или мембрана, или процессы дистилляции используются.
Развитие мембран, которые являются и более продуктивными и стойкими к загрязнению, могло снизить затраты.Sholl и Lively завершают бумагу, предлагая четыре шага, которые могли быть сделаны академическими исследователями и влиятельными политиками, чтобы помочь расширить использование нетепловых методов разделения:
В исследовании рассмотрите реалистические химические смеси и отразите реальные условия,Оцените экономику и устойчивость любого метода разделения,
Рассмотрите масштаб, в котором технология должна была бы быть использована для промышленности, иДалее подвергните инженеров-химиков и химиков в обучении к методам разделения, которые не требуют дистилляции.