Résumé :
Une équipe de recherche de l'Institut supérieur coréen des sciences et technologies (KAIST) et du Georgia Institute of Technology aux États-Unis a développé une membrane en polyacrylonitrile (PAN) capable de pré-séparer le véritable pétrole brut à température ambiante. La recherche a été publiée dans la revue Nature. Contrairement à la distillation traditionnelle, qui chauffe d’abord le pétrole brut à une température supérieure à 350 degrés Celsius, puis le condense et le fractionne, cette méthode ne nécessite pas de chauffer le pétrole brut au préalable. L’objectif est de filtrer d’abord certains des composants les plus légers, puis de les transmettre au processus de distillation existant pour traitement.
La clé de cette technologie réside dans l'utilisation anormale de « l'encrassement des membranes ». Les chercheurs ont laissé le pétrole brut s’écouler à travers une membrane poreuse PAN couramment utilisée dans les systèmes de filtration industriels. Les hydrocarbures lourds contenus dans le pétrole brut se sont progressivement déposés sur les parois des pores, rétrécissant les pores initiaux d'environ 15 nanomètres à moins de 2 nanomètres, formant ainsi des canaux capables de filtrer les molécules. Les composants plus légers tels que le naphta, l'essence et le kérosène passent plus facilement, tandis que les composants plus lourds sont retenus ; lorsque le dépôt atteint un niveau stable, le canal de séparation reste stable. L'équipe de recherche a utilisé du vrai pétrole brut fourni par HD Hyundai Oilbank pour les tests.
Dans l'expérience d'écoulement tangentiel, la perméabilité au pétrole brut de la membrane PAN a atteint un maximum de 0,591 litre par mètre carré par heure et par bar, dépassant de 23 fois la référence précédemment rapportée ; les performances de séparation sélective ont été maintenues en continu pendant quatre semaines. Le « 23 fois » fait ici référence à la comparaison de la perméabilité de la membrane avec la référence précédente en matière de membrane de séparation du pétrole brut, et ne signifie pas que la capacité de traitement de l'ensemble de la raffinerie a augmenté de 23 fois.
Les chercheurs ont également utilisé une évaluation par simulation de processus pour comparer le prétraitement des membranes avant et après l'ajout d'une distillation atmosphérique traditionnelle. Les résultats ont montré que la consommation d'énergie pourrait être réduite de 31,6 %, les émissions de dioxyde de carbone de 37,6 %, la consommation d'eau de refroidissement de 20,7 % et le coût d'exploitation total annualisé devrait être réduit de 36 %. L'analyse des coûts suppose que le prix unitaire de la membrane est de 10 $ US par mètre carré. S'il est pleinement adopté dans les industries du raffinage et de la pétrochimie en Corée du Sud, l'équipe de recherche estime que ce système pourrait réduire les émissions de gaz à effet de serre d'environ 10 millions de tonnes par an, soit l'équivalent des émissions d'environ 4 millions de véhicules alimentés au carburant.
Ces chiffres d'économie d'énergie, de réduction des émissions et de coûts sont dérivés de simulations et d'estimations de processus et ne sont pas le résultat d'opérations sur le terrain de raffineries commerciales. La membrane démontre actuellement une pré-séparation avant la distillation. Les chercheurs doivent encore promouvoir les composants membranaires de grande surface, la fiabilité à long terme et la vérification du fonctionnement à grande échelle ; s'il est appliqué, les raffineries existantes pourront peut-être le connecter en tant qu'unité de filtration modulaire sans remplacer complètement l'équipement de distillation. L’équipe a également proposé d’explorer des utilisations telles que la purification de l’huile de pyrolyse des déchets plastiques, la récupération des solvants de fabrication de batteries, la purification des biocarburants et la purification pharmaceutique à l’avenir, mais ce sont encore des applications potentielles.
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