Les chercheurs ont développé un moyen étonnamment simple de séparer le pétrole brut sans le chauffer, transformant potentiellement l’un des processus industriels les plus énergivores au monde. Cette percée utilise une membrane peu coûteuse qui pourrait réduire considérablement l’énergie requise pour le raffinage du pétrole tout en réduisant les coûts d’exploitation et les émissions de carbone.
L’effort de recherche international a été dirigé par le professeur Dong-Yeun Koh de l’Institut avancé des sciences et technologies de Corée, connu sous le nom de KAIST, en collaboration avec le groupe de recherche du professeur Ryan Lively à Georgia Tech. KAIST (président Kwang Hyung Lee) a annoncé que l’équipe avait réussi à démontrer une membrane capable de séparer le pétrole brut à température ambiante. Les résultats ont été publiés dans Naturel’une des principales revues scientifiques au monde.
Le pétrole brut est essentiel pour bien plus que l’essence et les autres carburants de transport. Elle fournit également les matières premières utilisées pour fabriquer des plastiques, des emballages, des vêtements et de nombreux produits du quotidien. Étant donné que les coûts de raffinage affectent les prix de ces matériaux, rendre le processus plus efficace pourrait avoir de nombreux avantages économiques et environnementaux.
Pourquoi le raffinage traditionnel du pétrole brut nécessite autant d’énergie
Depuis plus d’un siècle, les raffineries de pétrole s’appuient largement sur la distillation pour séparer le pétrole brut en composants utiles. Le processus consiste à chauffer le mazout à des températures supérieures à 350 °C, à en transformer des parties en vapeur, puis à refroidir ces vapeurs pour collecter différentes fractions.
Cette approche nécessite une énorme quantité d’énergie. Dans le monde, la distillation du pétrole brut consomme environ 1 100 térawattheures (TWh) par an. Cela est comparable à la production annuelle combinée d’électricité d’environ 130 centrales nucléaires en fonctionnement continu, chacune d’une capacité d’environ un gigawatt.
La demande massive d’énergie fait de la distillation un contributeur majeur à la fois à la consommation de carburant et aux émissions de gaz à effet de serre au sein de l’industrie du raffinage. Parallèlement, les pressions économiques croissantes sur les marchés pétrochimiques mondiaux ont accru l’intérêt pour les technologies permettant de séparer le pétrole plus efficacement.
Les membranes sont apparues comme une alternative prometteuse car elles peuvent séparer les substances sans nécessiter les températures extrêmes utilisées dans la distillation conventionnelle. Cependant, les conceptions précédentes se sont heurtées à des obstacles importants.
Traditionnellement, les chercheurs supposent qu’une séparation moléculaire efficace nécessite une membrane recouverte d’un revêtement spécialisé extrêmement fin. Bien que ces revêtements puissent fournir la précision nécessaire, ils sont coûteux à produire et peuvent développer des défauts lorsqu’ils sont fabriqués à grande échelle. Ces limitations ont rendu difficile une adoption industrielle généralisée.
Une découverte surprenante transforme les filtres obstrués en un avantage
Les chercheurs du KAIST et de Georgia Tech ont abordé le problème différemment. Plutôt que d’ajouter un revêtement compliqué, ils ont utilisé une membrane nue en polyacrylonitrile poreux (PAN), un polymère peu coûteux et chimiquement stable déjà couramment utilisé comme matériau de support dans les systèmes de filtration industriels.
Ce qui s’est produit lorsque le pétrole brut a traversé la membrane était inattendu.
Au fur et à mesure que l’huile s’écoulait à travers ses pores, des molécules d’hydrocarbures plus lourdes s’accumulaient le long des parois internes. Cette accumulation a progressivement réduit la taille des ouvertures, produisant des canaux extrêmement étroits mesurant moins de 2 nanomètres de diamètre.
En effet, le pétrole brut a contribué à créer les voies microscopiques nécessaires à la séparation de ses propres composants.
Ces canaux formés naturellement permettaient aux fractions pétrolières plus légères, notamment le naphta, l’essence et le kérosène, de passer rapidement tout en empêchant les substances plus lourdes de traverser la membrane aussi facilement.
Cette découverte est particulièrement surprenante car l’accumulation de matière à l’intérieur des pores de la membrane, connue sous le nom d’encrassement, est normalement considérée comme un problème sérieux. L’encrassement réduit généralement les performances de filtration et nécessite un nettoyage ou un remplacement. Dans ce cas, cependant, le même phénomène a rendu la membrane très efficace pour séparer différentes molécules.
Les résultats ont été impressionnants. La membrane PAN non revêtue a atteint des taux de perméation du pétrole brut environ 23 fois supérieurs à ceux rapportés pour les précédentes membranes de séparation du pétrole brut. Elle a également continué à fonctionner avec des performances stables pendant 28 jours consécutifs.
Le professeur Ryan Lively (Georgia Tech) a commenté : « L’un des principaux défis auxquels sont confrontés les systèmes à membrane pour la séparation du pétrole brut était la faible productivité des unités à membrane – les membranes PAN avec leur mécanisme de séparation surprenant – augmentent considérablement la productivité de l’unité à membrane, au point que l’industrie devrait sérieusement envisager d’adopter cette technologie. »
Une nouvelle membrane pourrait réduire de près d’un tiers la consommation d’énergie du raffinage du pétrole
L’un des principaux avantages de cette technologie est que les raffineries n’auront pas nécessairement besoin de remplacer leurs équipements existants pour l’utiliser.
La membrane pourrait plutôt être installée comme un système de filtration modulaire qui traite le pétrole brut avant qu’il n’entre dans l’équipement de distillation conventionnel. Cela réduirait la quantité de travail requis pendant les étapes de chauffage et de séparation tout en permettant aux installations de continuer à utiliser une grande partie de leur infrastructure actuelle.
Les simulations informatiques suggèrent que l’incorporation de la membrane dans le processus de raffinage pourrait apporter des améliorations substantielles. La consommation d’énergie pourrait diminuer de 31,6 %, tandis que les émissions de dioxyde de carbone pourraient diminuer de 37,6 %. Les mêmes calculs prévoyaient une réduction de 20,7 % de la consommation d’eau de refroidissement et une diminution de 36 % des coûts d’exploitation.
Les avantages environnementaux potentiels pourraient être considérables si la technologie était largement adoptée.
Les chercheurs estiment que la mise en œuvre de ce système dans les industries coréennes du raffinage et de la pétrochimie pourrait permettre d’éviter environ 10 millions de tonnes d’émissions de gaz à effet de serre chaque année. Cela équivaut à peu près aux émissions annuelles produites par quatre millions de véhicules propulsés par des moteurs à combustion interne.
Ces économies sont des projections basées sur des simulations de processus plutôt que sur des réductions déjà démontrées dans les raffineries en activité. Néanmoins, les résultats suggèrent que la filtration membranaire pourrait devenir un moyen pratique d’améliorer l’efficacité des installations existantes.
Applications au-delà du raffinage du pétrole
Bien que la séparation du pétrole brut ait été le principal objectif de la recherche, la même technologie pourrait éventuellement être utile dans plusieurs autres industries.
Une application potentielle consiste à traiter l’huile de pyrolyse produite lorsque les déchets plastiques sont décomposés pour être recyclés. Les membranes pourraient également aider à récupérer les solvants utilisés dans la fabrication des batteries, à purifier les composés pharmaceutiques et à améliorer la production de biocarburants.
L’opportunité la plus large réside dans l’utilisation de mélanges liquides complexes pour aider à former les minuscules canaux de filtration nécessaires pour séparer leurs composants. Cette approche pourrait constituer une alternative plus abordable et plus polyvalente aux membranes conventionnelles qui nécessitent des revêtements de surface fabriqués avec précision.
Le professeur Dong-Yeun Koh du KAIST a déclaré : « Cette étude révèle un nouveau principe scientifique selon lequel une membrane interagit avec un mélange complexe et forme spontanément ses propres canaux de séparation. Travailler avec du véritable pétrole brut fourni par HD Hyundai Oilbank nous a permis de valider la technologie dans des conditions pertinentes pour l’exploitation industrielle. »
L’utilisation de pétrole brut réel a constitué une partie importante de la recherche car elle a permis à l’équipe d’examiner le comportement de la membrane avec le mélange complexe d’hydrocarbures présent dans les matières premières industrielles.
Avant que la technologie puisse être déployée plus largement, les chercheurs prévoient d’améliorer la production de membranes à plus grande échelle et d’établir sa fiabilité lors d’une opération prolongée.
Le professeur Jae W. Lee de KAIST, auteur co-correspondant de l’étude, a ajouté : « En faisant progresser la modularisation des membranes sur de grandes surfaces et la fiabilité opérationnelle à long terme, nous espérons élargir l’adoption de processus à membrane dans l’ensemble des industries du raffinage et de la pétrochimie. »
Le Dr Jihoon Choi et le Dr Hyeokjun Seo de KAIST, les co-premiers auteurs de l’étude, ont déclaré : « Notre objectif est de contrôler avec précision ce phénomène de constriction spontanée des pores et de le développer en une plate-forme membranaire applicable à l’ensemble du processus de raffinage. Nous visons également à étendre la technologie au recyclage du plastique, à la purification des biocarburants et à d’autres processus chimiques durables qui soutiennent la neutralité carbone.
La recherche a reçu le soutien du ministère coréen des Sciences et des TIC par le biais du programme de recherche fondamentale pour les chercheurs exceptionnels en début de carrière et du programme du centre de recherche en ingénierie (ERC).
