Φθηνότερα Καύσιμα και Πλαστικά

Οι Ζεολιθικές Μεμβράνες του καθηγητή Δρ Μιχάλη Τσαπατσή μειώνουν το κόστος παραγωγής κατά 15%.

Καύσιμα και πλαστικά τα οποία θα παράγονται από το αργό πετρέλαιο αρκετά φθηνότερα απ’ ό,τι σήμερα, αλλά και με έναν τρόπο πολύ πιο φιλικό για το περιβάλλον. Αυτό υπόσχονται τα υλικά που ανέπτυξε με την ομάδα του ο Δρ Μιχάλης Τσαπατσής, χημικός μηχανικός και καθηγητής στο Πανεπιστήμιο της Μινεσότα. Τα συγκεκριμένα τεχνητά υλικά, που ονομάζονται ζεολιθικές μεμβράνες και μοιάζουν με εξαιρετικά λεπτά φιλμ γεμάτα με μικροσκοπικούς πόρους, ανοίγουν τον δρόμο ώστε να μειωθεί τουλάχιστον κατά 15% το κόστος παραγωγής -και επομένως η τιμή- του πλαστικού και της βενζίνης. Μία προοπτική που έκανε το επιστημονικό περιοδικό Science να συμπεριλάβει την έρευνα του Έλληνα επιστήμονα και των συνεργατών του στην ανασκόπηση για το 2011, κατατάσσοντάς την στη λίστα με τα δέκα σημαντικότερα επιτεύγματα της περασμένης χρονιάς.

Σήμερα η επεξεργασία του πετρελαίου γίνεται αποκλειστικά με κλασματική απόσταξη, δηλαδή το πετρέλαιο θερμαίνεται σε υψηλές θερμοκρασίες και τα συστατικά του διαχωρίζονται χάρις στο γεγονός ότι έχουν διαφορετικό σημείο βρασμού. «Το μειονέκτημα είναι ότι για τη θέρμανση καταναλώνονται μεγάλα ποσά ενέργειας» επισημαίνει στην «Κ» ο δρ Τσαπατσής, «από τα οποία μάλιστα μόλις το 10% αξιοποιείται πραγματικά για τον διαχωρισμό των συστατικών».

Από την άλλη μεριά, οι ζεολιθικές μεμβράνες που δημιούργησε ο καθηγητής με την ομάδα του μπορούν να κάνουν την ίδια δουλειά με την κλασματική απόσταξη, αλλά πολύ λιγότερο ενεργοβόρα. «Γνωρίζοντας ποιο μέγεθος έχουν τα μόρια της χημικής ένωσης που πρέπει να απομονωθεί, σχεδιάζουμε τη μεμβράνη ώστε η διάμετρος των πόρων να αντιστοιχεί σε αυτό το μέγεθος» σημειώνει. «Επομένως, η μεμβράνη λειτουργεί σαν ένα “μοριακό σουρωτήρι”, αφήνοντας να περάσει μόνο το συστατικό που επιθυμούμε». Έτσι, το αργό πετρέλαιο δεν θα χρειάζεται να θερμανθεί για να γίνει η επεξεργασία του, κάτι που σημαίνει πως η βενζίνη και το πλαστικό θα παράγονται πιο φθηνά, αλλά και με λιγότερες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα στην ατμόσφαιρα.

Στην πραγματικότητα, και άλλες επιστημονικές ομάδες σε όλο τον κόσμο αναπτύσσουν ζεολιθικές μεμβράνες για τον διαχωρισμό υλικών, εδώ και περίπου μία δεκαετία. «Οσον αφορά πάντως τη διύλιση του “μαύρου” χρυσού, το πρόβλημα έως τώρα ήταν ότι, κάτω από ένα συγκεκριμένο πάχος, οι ταινίες που κατασκευάζονταν ήταν ελαττωματικές, αφού πάντοτε διέθεταν και μερικούς πόρους που δεν είχαν το σωστό μέγεθος» επισημαίνει ο καθηγητής. Έτσι, για να απομονώνεται από το πετρέλαιο μόνο το επιθυμητό συστατικό, θα έπρεπε να χρησιμοποιηθούν ζεολιθικές μεμβράνες με αρκετά μεγάλο πάχος, οι οποίες όμως θα φίλτραραν λίγες ποσότητες από αργό πετρέλαιο και δεν θα μπορούσαν να ανταγωνιστούν οικονομικά την απόσταξη.

Αυτό που κατάφερε η ερευνητική ομάδα του Δρ Τσαπατσή ήταν να ανακαλύψει μία τεχνική που της επιτρέπει να συνθέτει αρκετά λεπτές ταινίες, ελέγχοντας με ακρίβεια το μέγεθος όλων των πόρων. «Οι μεμβράνες μας έχουν πάχος 100 δισεκατομμυριοστά του μέτρου, δηλαδή είναι 100 φορές λεπτότερες από οτιδήποτε είχε κατασκευασθεί μέχρι σήμερα» λέει χαρακτηριστικά ο επιστήμονας, «ώστε να εξασφαλίζουν μεγάλους ρυθμούς παραγωγής και να μειώνουν το κόστος». Παράλληλα, δεν έχουν καμία κατασκευαστική ατέλεια, με συνέπεια να λειτουργούν σαν «μοριακά φίλτρα» με απόλυτη αξιοπιστία.

Οι ερευνητές χρειάστηκαν 10 περίπου χρόνια για να τελειοποιήσουν την τεχνική τους, με την οποία μπορούν πλέον να δημιουργούν υπέρλεπτα φιλμ τα οποία έχει αποδειχθεί με πειράματα στο εργαστήριο ότι λειτουργούν όπως ακριβώς προβλέπεται θεωρητικά. «Εχουμε ιδρύσει ήδη μία εταιρεία, με στόχο να κατασκευαστεί μία πρωτότυπη μονάδα παραγωγής των φιλμ σε μεγαλύτερη κλίμακα και να συνεχίσουμε τις δοκιμές - ελέγχοντας, για παράδειγμα, τη μακροχρόνια σταθερότητά τους». Μέσα σε μία διετία αναμένεται να έχουν ολοκληρωθεί αυτές οι δοκιμές, ώστε οι μεμβράνες να είναι έτοιμες να χρησιμοποιηθούν στη βιομηχανία. «Το πλάνο μας είναι να χρησιμοποιηθούν πρώτα για την παραγωγή από το πετρέλαιο της πρώτης ύλης από την οποία προέρχονται τα πλαστικά». Σε δεύτερο στάδιο, οι επιστήμονες σχεδιάζουν να επεκτείνουν την εφαρμογή των «φίλτρων» και για την παραγωγή βενζίνης στα διυλιστήρια.

Παράλληλα, ήδη αναπτύσσουν αντίστοιχες μεμβράνες, οι οποίες αυτή τη φορά θα περιορίζουν την ενέργεια που χρειάζεται για την παραγωγή των βιοκαυσίμων - των υποκατάστατων δηλαδή της βενζίνης και του πετρελαίου που παράγονται από γεωργικά και δασικά προϊόντα.

Αφότου αποφοίτησε από το τμήμα Χημικών Μηχανικών στο πανεπιστήμιο της Πάτρας, το 1988, ο κ. Τσαπατσής έκανε διδακτορικό στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Καλιφόρνιας (Caltech). Ουσιαστικά ασχολείται ερευνητικά με τις ζεολιθικές μεμβράνες από το 1994, όταν ξεκίνησε να εργάζεται ως επίκουρος καθηγητής στο πανεπιστήμιο της Μασαχουσέτης, πριν διοριστεί το 2003 καθηγητής στο τμήμα Χημικών Μηχανικών και Επιστήμης Υλικών του πανεπιστημίου της Μινεσότας.

«Εκτός από το πετρέλαιο ή τα βιοκαύσιμα, πάντως, όπου οι μεμβράνες θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν σχετικά άμεσα, στο μέλλον είναι πιθανόν να προκύψουν αρκετές ακόμη χρήσιμες εφαρμογές οι οποίες θα αξιοποιούν τη δυνατότητα που δίνουν αυτά τα “μοριακά φίλτρα” για τον διαχωρισμό των υλικών ενός μείγματος», προσθέτει.

Καθαρίζουν το νερό και φιλτράρουν τα καυσαέρια των εργοστασίων

Μια τέτοια εφαρμογή αφορά τον καθαρισμό του πόσιμου νερού, με την ανάπτυξη λεπτών φιλμ που θα αφήνουν να περάσουν από τους πόρους τους μόνον οι ξένες ουσίες που το έχουν μολύνει, όπως απόβλητα από φάρμακα ή χημικά. «Στο εργαστήριο επιχειρούμε να κατασκευάσουμε επίσης μεμβράνες που θα φιλτράρουν τα καυσαέρια των εργοστασίων, για να απομονώνουν το διοξείδιο του άνθρακα και έτσι αυτό να μην απελευθερώνεται στην ατμόσφαιρα».

Στο πλαίσιο μερικών τέτοιων πρότζεκτ, η ομάδα του κ. Τσαπατσή συνεργάζεται με το Ινστιτούτο Φυσικοχημείας του «Δημόκριτου», και πιο συγκεκριμένα με τον δρα Γιώργο Καρανικολό, πρώην μεταδιδακτορικό υπότροφο στο πανεπιστήμιο της Μινεσότας ο οποίος σήμερα εργάζεται ως επιστημονικός συνεργάτης του Ινστιτούτου, μέσω του προγράμματος Marie Curie.


K. Varoon, X. Zhang, B. Elyassi, D. D. Brewer, M. G. A. Kumar, J. A. Lee, S. Maheshwari, A. Mittal, C. S. A. Cococcioni, L. F. Francis, A. V. McCormick, K. A. Mkhoyan and M. Tsapatsis Dispersible exfoliated zeolite nanosheets and their application as a selective membrane. Science 2011 334 (6052) 72–75.



Tsapatsis Research Group Website:

http://www.cems.umn.edu/research/tsapatsis/ 

Science Magazine:

http://www.sciencemag.org/magazine 

Πηγή:  http://news.kathimerini.gr 

            http://www.newsbeast.gr