99,8 Prozent Trennleistung ohne Hitze: Polymermembranen könnten Erdölraffinerien revolutionieren

Die thermische Destillation ist seit über einem Jahrhundert das Herzstück jeder Erdölraffinerie. Rohöl wird dabei auf über 500 Grad Celsius erhitzt, um Benzin, Kerosin, Kunststoffvorläufer und andere Fraktionen nach ihren Siedepunkten zu trennen. Das Verfahren verbraucht weltweit rund 1.100 Terawattstunden pro Jahr, knapp ein Prozent des globalen Energieverbrauchs. Ein internationales Forschungsteam unter Leitung von Professor Andrew Livingston an der Queen Mary University of London hat jetzt eine Membrantechnologie entwickelt, die diesen Prozess grundlegend verändern könnte.

Gesperrte Mikroporosität als Schlüssel

Die neuen Membranen tragen den Namen Polymers of Locked Intrinsic Microporosity, kurz PLIMs. Sie bestehen aus ultradünnen Polymerschichten, deren molekulare Struktur winzige, gleichmäßige Poren bildet. Der entscheidende Schritt beim Herstellungsprozess: Während die Membranschicht entsteht, injiziert das Team einen Quervernetzer, der die Poren in ihrer ursprünglichen Geometrie fixiert, bevor das Polymer quellen kann. „Wir stabilisieren die Struktur, bevor das Polymer Zeit hat aufzuquellen“, erläutert Dr. Zhiwei Jiang. „Das erhält die winzigen Poren, die eine molekulare Trennung ermöglichen, und lässt Kohlenwasserstoffe trotzdem zügig hindurchfließen.“

Konventionelle Nanomembranen für die Wasserentsalzung sind hydrophil und lassen sich von Kohlenwasserstoffen kaum durchdringen. PLIMs hingegen sind hydrophob und bieten damit natürliche Affinität zu den organischen Verbindungen im Rohöl.

Membran beweist sich an echtem Öl

Die Forschungsgruppe testete die Membranen an Arabian Extra Light, einem echten kommerziellen Rohöl. Das Ergebnis: 99,8 Prozent der schweren Kohlenwasserstoffe mit mehr als 15 Kohlenstoffatomen blieben zurück. Gleichzeitig reduzierte die Membran korrosive Schwefelverbindungen um 93 Prozent, ein erheblicher Vorteil für nachgelagerte Anlagen und Katalysatoren. Auch bei leichteren Raffinerieströmen wie Virgin Naphtha zeigte das System vergleichbare Trennleistung: Kleine Moleküle für die Kraftstoffaufbereitung passierten die Membran, während größere Fraktionen für die Kunststoffherstellung zurückgehalten wurden.

Der Durchsatz lag auf dem Niveau kommerzieller Meerwasserentsalzungsanlagen, was die industrielle Relevanz unterstreicht.

90 Prozent weniger Energiebedarf bei der Verarbeitung von Rohöl

Das Team hat die Skalierbarkeit von Anfang an mitgedacht. Per Standard-Rollenprozess lassen sich PLIM-Bahnen von mehr als einem Meter Breite fertigen. Diese Bahnen werden anschließend zu Spiralwickelmodulen verarbeitet, dem Standardformat industrieller Filtrationsanlagen weltweit. Der Übergang von Labor zu Produktion erfordert damit keine neuen Fertigungsinfrastrukturen.

Membranbasierte Trennung könnte den Energiebedarf der Rohölverarbeitung nach Schätzungen der Forschenden um bis zu 90 Prozent senken. Livingston, der parallel das Unternehmen Exactmer leitet, betont: „Membranen können dieselbe Arbeit leisten wie Destillation oder Verdampfung, mit weit weniger Energie. Das Problem war bisher, Materialien zu finden, die in echten Kohlenwasserstoffgemischen sowohl schnell als auch selektiv arbeiten.“

via Queen Mary Universitz of London