طور فريق بحثي دولي بقيادة البروفيسور Dong-Yeun Koh من معهد KAIST، بالتعاون مع مجموعة البروفيسور Ryan Lively في معهد Georgia Tech، غشاءً بسيطاً ومنخفض التكلفة يمكنه فصل المكونات الأخف في النفط الخام عند درجة حرارة الغرفة دون تسخين. وبحسب تقرير لموقع SciTechDaily حول الدراسة المنشورة في مجلة Nature في 24 يونيو 2026، أظهرت محاكاة العمليات أن دمج غشاء فصل النفط الخام من KAIST مع التقطير التقليدي قد يقلل استهلاك الطاقة بنسبة 31.6%.
تعتمد مصافي النفط منذ قرن على عملية التقطير التي تتطلب تسخين الخام إلى أكثر من 350 درجة مئوية (662 درجة فهرنهايت) لتبخيره ثم تبريد البخار لاستخلاص المشتقات المستخدمة في وقود النقل والبلاستيك والتغليف والمنسوجات وغيرها من المنتجات الاستهلاكية. وتستهلك هذه العملية عالمياً نحو 1,100 تيراواط/ساعة من الطاقة سنوياً، وهو ما يعادل تقريباً الإنتاج السنوي المستمر لنحو 130 محطة طاقة نووية بقدرة جيجاواط.
أظهرت محاكاة العمليات أن المعالجة المسبقة للنفط الخام عبر الغشاء قبل التقطير التقليدي قد تحقق وفورات في عدة جوانب تشغيلية:
- خفض استهلاك الطاقة بنسبة 31.6%
- تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون بنسبة 37.6%
- تقليص استهلاك مياه التبريد بنسبة 20.7%
- خفض تكاليف التشغيل بنسبة 36%
ويشير موقع SciTechDaily إلى أن هذه الوفورات قد تتجاوز حدود المصافي نظراً لتأثير تكاليف التكرير في أسعار الوقود والمنتجات اليومية، فضلاً عن أن تصاعد ضغوط التكلفة في أسواق البتروكيماويات العالمية زاد الطلب على تقنيات فصل أكثر كفاءة.
تراكم الرواسب يشكّل قنوات الفصل الدقيقة
لطالما واجه تصنيع أغشية قادرة على الفصل الجزيئي الدقيق تحديات تقنية؛ إذ تتطلب التصاميم التقليدية طبقات طلاء سطحية فائقة الرقة ترفع التكاليف وتزيد مخاطر العيوب عند الإنتاج الواسع. وبدلاً من ذلك، مرر الفريق النفط الخام عبر مادة البولي أكريلونيتريل (PAN) المسامية المجردة، وهي بوليمر منخفض التكلفة ومستقر كيميائياً يُستخدم على نطاق واسع في الأغشية الصناعية.
ومع تدفق النفط عبر غشاء PAN، ترسبت الهيدروكربونات الثقيلة انتقائياً على جدران المسام. وأدى هذا التراكم - المعروف بتلوث الغشاء أو انسداده والذي يسبب عادةً تراجع الأداء - إلى تضييق الفتحات تدريجياً لتشكيل قنوات فصل أصغر من 2 نانومتر. وسمح ذلك بمرور المشتقات الخفيفة مثل النافثا والبنزين والكيروسين بسرعة، مع احتجاز المكونات الأثقل.
تكشف هذه الدراسة عن مبدأ علمي جديد يتفاعل فيه الغشاء مع خليط معقد ويشكل قنوات الفصل الخاصة به تلقائياً. وقد أتاح لنا العمل بنفط خام حقيقي وفرته شركة HD Hyundai Oilbank التحقق من كفاءة التقنية في ظروف تحاكي التشغيل الصناعي.
البروفيسور Dong-Yeun Koh، معهد KAIST
وحقق غشاء PAN المجرد معدلات نفاذية للنفط الخام أعلى بنحو 23 ضعفاً مقارنةً بأحدث أغشية النفط الخام الموثقة سابقاً، كما حافظ على استقرار أدائه لمدة 28 يوماً متتالياً.
تحديث المصافي القائمة والتطبيقات المستقبلية
يمكن دمج هذه التقنية في المصافي القائمة كوحدة ترشيح معيارية، ما يقلل الحاجة إلى استبدال المعدات الرئيسية ويسهل تبنيها. وقال Lively إن «أحد التحديات الرئيسية التي كانت تواجه أنظمة الأغشية لفصل النفط الخام هو انخفاض إنتاجية وحدات الأغشية - غير أن أغشية PAN بآلية الفصل المفاجئة الخاصة بها - تزيد إنتاجية وحدة الغشاء بدرجة كبيرة، إلى حد يدعو القطاع الصناعي إلى التفكير بجدية في تبني هذه التقنية».
وإذا طُبقت هذه التقنية في مختلف أنحاء قطاع التكرير والبتروكيماويات في كوريا الجنوبية، فقد تخفض انبعاثات غازات الاحتباس الحراري بنحو 10 ملايين طن متري سنوياً، أي ما يعادل انبعاثات نحو أربعة ملايين مركبة تعمل بمحركات الاحتراق الداخلي.
وقال المؤلفان الرئيسيان المشاركان في الدراسة، الدكتور Jihoon Choi والدكتور Hyeokjun Seo من KAIST، إن هدف الفريق هو التحكم بدقة في ظاهرة تضيق المسام التلقائي وتطويرها إلى منصة أغشية قابلة للتطبيق في عملية التكرير بأكملها، إضافة إلى توسيع التقنية لتشمل إعادة تدوير البلاستيك وتنقية الوقود الحيوي والعمليات الكيميائية المستدامة الأخرى التي تدعم الحياد الكربوني. وتشمل التطبيقات المحتملة المقترحة تنقية زيت الانحلال الحراري الناتج عن تفكيك نفايات البلاستيك بالحرارة، واستعادة المذيبات المستخدمة في تصنيع البطاريات، والتنقية الدوائية.
من جانبه، أعرب البروفيسور Jae W. Lee من KAIST، وهو مؤلف مراسل مشارك في الدراسة، عن أمل الفريق في توسيع تبني العمليات القائمة على الأغشية في قطاعي التكرير والبتروكيماويات عبر تطوير وحدات أغشية معيارية واسعة المساحة وتعزيز الموثوقية التشغيلية طويلة الأمد. وقد شارك في إعداد الورقة البحثية كل من Jihoon Choi و Hyeokjun Seo و Minyong Lee و Woong-Chul Shin و Jaemin Choi و Keonwoo Choi و Min-Jun Jang و Sung Gap Im و Jae W. Lee و Ryan P. Lively و Dong-Yeun Koh، بدعم من وزارة العلوم وتكنولوجيا المعلومات والاتصالات الكورية عبر برنامج البحوث الأساسية للباحثين المتميزين في بداية مسيرتهم المهنية وبرنامج مركز البحوث الهندسية (ERC).
كُتب هذا المقال بالذكاء الاصطناعي اعتماداً على ما نشره: scitechdaily.com.
