Un nouveau kind de membrane polymère créé par des chercheurs de Georgia Tech pourrait remodeler la façon dont les raffineries traitent le pétrole brut, réduisant considérablement l’énergie et l’eau nécessaires tout en extrayant des matériaux encore additionally utiles.
Les soi-disant polymères DUCKY — furthermore d’informations sur ce nom inhabituel dans une moment — sont rapportés le 16 octobre dans Character Materials. Et ce n’est qu’un début pour l’équipe de chimistes, d’ingénieurs chimistes et de scientifiques des matériaux de Georgia Tech. Ils ont également créé des outils d’intelligence artificielle pour prédire les performances de ce variety de membranes polymères, ce qui pourrait accélérer le développement de nouvelles.
Les implications sont flagrantes : la séparation initiale des composants du pétrole brut est responsable d’environ 1 % de l’énergie utilisée dans le monde. De moreover, la technologie de séparation par membrane développée par les chercheurs pourrait avoir plusieurs utilisations, depuis les biocarburants et les plastiques biodégradables jusqu’aux produits de pâtes et papiers.
« Nous établissons ici des ideas que nous pouvons ensuite utiliser avec différentes molécules ou polymères, mais nous les appliquons au pétrole brut car or truck c’est l’objectif le in addition difficile à l’heure actuelle », a déclaré MG Finn, professeur et titulaire de la chaire de la famille James A. Carlos à l’école. de chimie et biochimie.
Le pétrole brut à l’état brut comprend des milliers de composés qui doivent être traités et raffinés pour produire des matériaux utiles – gaz et autres carburants, ainsi que plastiques, textiles, additifs alimentaires, produits médicaux, and many others. L’extraction des éléments précieux implique des dizaines d’étapes, mais cela begin par la distillation, un processus gourmand en eau et en énergie.
Les chercheurs ont essayé de développer des membranes pour effectuer ce travail, en filtrant les molécules désirables et en évitant toute ébullition et tout refroidissement.
« Le pétrole brut est une matière première extrêmement importante pour presque tous les features de la vie, et la plupart des gens ne pensent pas à la façon dont il est traité », a déclaré Ryan Energetic, professeur Thomas C. DeLoach Jr. à l’École de génie chimique et biomoléculaire. « Ces systèmes de distillation sont d’énormes consommateurs d’eau, et les membranes ne le sont tout simplement pas. Ils n’utilisent ni chaleur ni combustion. Ils utilisent simplement de l’électricité. Vous pourriez apparemment les faire fonctionner à partir d’une éolienne, si vous le vouliez. C’est juste un système fondamentalement différent. façon de faire une séparation. »
Ce qui rend la nouvelle formule membranaire de l’équipe si puissante, c’est une nouvelle famille de polymères. Les chercheurs ont utilisé des éléments constitutifs appelés monomères spirocycliques qui s’assemblent en chaînes avec de nombreux tours à 90 degrés, formant un matériau crépu qui ne se comprime pas facilement et forme des pores qui se lient sélectivement et permettent aux molécules souhaitables de passer. Les polymères ne sont pas rigides, ce qui signifie qu’ils sont furthermore faciles à fabriquer en grande quantité. Ils ont également une flexibilité ou une mobilité bien contrôlée qui permet aux pores de la bonne construction filtrante d’aller et venir au fil du temps.
Les polymères DUCKY sont créés par une réaction chimique facile à produire à une échelle qui serait utile à des fins industrielles. C’est un aperçu d’une famille de réactions lauréate du prix Nobel appelée chimie clic, et c’est ce qui donne leur nom aux polymères. La réaction est appelée cycloaddition azide-alcyne catalysée par le cuivre – abrégé CuAAC et prononcé « charlatan ». Ainsi : les polymères DUCKY.
Prises isolément, les trois caractéristiques clés des membranes polymères ne sont pas nouvelles c’est leur combinaison unique qui en fait une nouveauté et une efficacité, a déclaré Finn.
L’équipe de recherche comprenait des scientifiques d’ExxonMobil, qui ont découvert à quel level les membranes pouvaient être efficaces. Les scientifiques de l’entreprise ont pris les composants les moreover bruts du pétrole brut – les boues laissées au fond après le processus de distillation – et les ont poussés à travers l’une des membranes. Le processus a permis d’extraire des matériaux encore moreover précieux.
« C’est en fait l’analyse de rentabilisation de beaucoup de gens qui traitent des pétroles bruts. Ils veulent savoir ce qu’ils peuvent faire de nouveau. Une membrane peut-elle créer quelque selected de nouveau que la colonne de distillation ne peut pas faire ? » » Dit Energetic. « Bien sûr, notre drive secrète est de réduire les empreintes énergétiques, carbone et eau, mais si nous pouvons les aider à fabriquer de nouveaux produits en même temps, c’est gagnant-gagnant. »
Les mélanges complexes comme le pétrole brut peuvent contenir des centaines ou des milliers de composants, donc décrire avec précision chaque composé en termes mathématiques, remark il interagit avec la membrane et extrapoler le résultat est « non trivial », comme le dit Ramprasad.
La formation des algorithmes impliquait également de parcourir toute la littérature expérimentale sur la diffusion de solvants à travers les polymères pour créer un énorme ensemble de données. Mais, tout comme le potentiel des membranes elles-mêmes à remodeler le raffinage, savoir à l’avance remark une membrane polymère proposée pourrait fonctionner accélérerait un processus de conception de matériaux qui est actuellement essentiellement des essais et des erreurs, a déclaré Ramprasad.
Mais il peut extrapoler un peu et vous emmener dans de nouvelles directions, potentiellement.. Vous pouvez effectuer un premier examen en effectuant une recherche dans de vastes espaces chimiques et en prenant dès le départ des décisions d’autorisation ou de non-autorisation.
Energetic a déclaré qu’il était depuis longtemps sceptique quant à la capacité des outils d’apprentissage automatique à s’attaquer aux types de séparations complexes avec lesquelles il travaille.
« J’ai toujours dit : ‘Je ne pense pas qu’on puisse prédire la complexité du transport à travers des membranes polymères. Les systèmes sont trop grands la physique est trop compliquée. Je ne peux pas le faire.' »
Mais ensuite il a rencontré Ramprasad : « Plutôt que d’être un opposant, Rampi et moi avons tenté le coup avec quelques étudiants de premier cycle, avons construit cette grande foundation de données, et bon sang. En fait, vous pouvez le faire », a déclaré Energetic.
Le développement des outils d’IA impliquait également de comparer les prédictions des algorithmes aux résultats réels, notamment avec les membranes polymères DUCKY. Les expériences ont montré que les prédictions des modèles d’IA se situaient entre 6 et 7 % des mesures réelles.
« C’est étonnant », a déclaré Finn. « Ma carrière a été consacrée à essayer de prédire ce que les molécules vont faire. L’approche d’apprentissage automatique et son exécution par Rampi sont tout simplement complètement révolutionnaires. »
Cette recherche a été financée par le Département américain de l’énergie, subvention n° DE-EE0007888 le Conseil européen de la recherche, subvention n° 758370 la Fondation éducative Kwanjeong une bourse de recherche universitaire de la Royal Society et la société de technologie et d’ingénierie ExxonMobil. Toutes les views, constatations, conclusions ou recommandations exprimées dans ce doc sont celles des auteurs et ne reflètent pas nécessairement les points de vue d’un organisme de financement.
