แบบจำลองประเมินลดพลังงาน 31.6% เมมเบรนแยกน้ำมันดิบทดสอบ 28 วัน

นักวิจัยจากสถาบันวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีขั้นสูงเกาหลี (KAIST) และสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจีย (Georgia Institute of Technology) คำนวณว่า การใช้เมมเบรนแยกน้ำมันดิบก่อนการกลั่นที่ความดันบรรยากาศอาจลดการใช้พลังงานได้ 31.6% ในแบบจำลอง ตัวเลขนี้เป็นผลจากการจำลองเปรียบเทียบ ไม่ใช่ค่าที่วัดได้ในโรงกลั่น

ทีมวิจัยเผยแพร่ผลการศึกษาเรื่องการแยกส่วนประกอบน้ำมันดิบด้วยเมมเบรนพรุนพอลิอะคริโลไนไตรล์ (PAN) ในวารสาร Nature เมื่อวันที่ 24 มิถุนายน กระบวนการนี้แยกส่วนประกอบเบาบางส่วนออกจากน้ำมันดิบก่อน แล้วส่งส่วนที่เหลือเข้าสู่ระบบเดิม

งานวิจัยระบุว่า การกลั่นที่ความดันบรรยากาศและการกลั่นสุญญากาศทั่วโลกใช้พลังงานรวมกันมากกว่า 1,100 TWh ต่อปี และปล่อยก๊าซเรือนกระจกในรูปคาร์บอนไดออกไซด์เทียบเท่ามากกว่า 160 ล้านตัน การลดพลังงานที่ใช้ให้ความร้อนแก่น้ำมันดิบเพื่อแยกส่วนประกอบตามจุดเดือดจึงเป็นที่มาของการศึกษาเมมเบรน

งานวิจัยเมมเบรนแยกน้ำมันดิบก่อนหน้านี้มักเคลือบผิวเมมเบรนเป็นชั้นบางเพื่อเพิ่มความเลือกจำเพาะ ทีมวิจัยครั้งนี้ใช้เมมเบรน PAN โดยไม่เคลือบเพิ่มเติม ซึ่ง PAN ยังใช้เป็นวัสดุรองรับในเมมเบรนอุตสาหกรรมได้ด้วย

เมื่อน้ำมันดิบไหลผ่านเมมเบรน ไฮโดรคาร์บอนโมเลกุลหนักจะสะสมในรูพรุน ทำให้รูพรุนบนผิวที่เริ่มต้นราว 15 นาโนเมตรแคบลงเหลือช่องทางขนาดไม่ถึง 2 นาโนเมตร ส่วนประกอบเบา เช่น แนฟทาและน้ำมันก๊าด จึงผ่านได้ดีกว่า ในกรณีนี้ การสะสมของสารซึ่งมักทำให้ประสิทธิภาพเมมเบรนลดลงกลับสร้างโครงสร้างที่ช่วยแยกสาร

ภายใต้สภาวะการไหลแบบสัมผัส ค่าการซึมผ่านน้ำมันดิบของเมมเบรน PAN สูงกว่าค่ามาตรฐานของเมมเบรนแยกน้ำมันดิบเดิมมากกว่า 23 เท่า ตัวเลขนี้เป็นการเปรียบเทียบค่าการซึมผ่านกับเมมเบรนที่ศึกษาไว้ก่อนหน้า ไม่ได้หมายความว่ากระบวนการเร็วกว่าโรงกลั่นเดิม 23 เท่า

ทีมวิจัยทดสอบเมมเบรนกับน้ำมันดิบจริงที่เอชดี ฮุนได ออยล์แบงก์ (HD Hyundai Oilbank) จัดหาให้ KAIST ระบุในประกาศเมื่อวันที่ 25 มิถุนายนว่า ประสิทธิภาพการแยกสารคงที่ตลอดการเดินระบบต่อเนื่อง 28 วัน การทดสอบยังรวมถึงสภาวะอุณหภูมิห้องและแรงดัน 10–40 บาร์

แบบจำลองเปรียบเทียบกระบวนการที่ใช้เมมเบรนแยกสารเบื้องต้นก่อนเข้าสู่การกลั่นที่ความดันบรรยากาศ กับกระบวนการที่ใช้การกลั่นดังกล่าวเพียงอย่างเดียว งานวิจัยเสนอให้ใช้เมมเบรนเป็นขั้นตอนเตรียมน้ำมันดิบก่อนการกลั่น ไม่ใช่อุปกรณ์ทดแทนการกลั่นทั้งหมด

ในแบบจำลองเดียวกัน การปล่อยคาร์บอนไดออกไซด์คำนวณว่าลดลง 37.6% และการใช้น้ำหล่อเย็นลดลง 20.7% ตัวเลขเหล่านี้ไม่ได้มาจากการวัดในโรงกลั่นเช่นกัน

ต้นทุนรวมรายปียังถูกคำนวณว่าลดลง 36.0% โดยการคำนวณนี้ตั้งสมมติฐานเกี่ยวกับต้นทุนต่อหน่วยพื้นที่ของเมมเบรน

ดังนั้น อัตราการลดพลังงาน การปล่อยก๊าซ น้ำหล่อเย็น และต้นทุนทั้งหมดเป็นผลจากแบบจำลอง การทดสอบน้ำมันดิบจริงเป็นเวลา 28 วันตรวจสอบประสิทธิภาพการแยกสารของเมมเบรน แต่ไม่ได้วัดอัตราการประหยัดพลังงานหรือต้นทุนของโรงกลั่นทั้งแห่ง

การแยกน้ำมันดิบด้วยเมมเบรนไม่ใช่เรื่องใหม่ ทีมนักวิจัยจาก MIT เผยแพร่งานศึกษาเมมเบรนพอลิเมอร์อีกแบบในเดือนพฤษภาคม 2025 และประเมินว่าอาจลดการใช้พลังงานได้ราว 90% ตัวเลขดังกล่าวไม่ได้มาจากการวัดในภาคอุตสาหกรรม และองค์ประกอบเมมเบรนกับวิธีใช้ในกระบวนการก็แตกต่างจากงานวิจัยครั้งนี้

ไรอัน พี. ไลฟ์ลี (Ryan P. Lively) ศาสตราจารย์จากสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียกล่าวในประกาศของ KAIST ว่า “ประสิทธิภาพการผลิตของเมมเบรนเพิ่มขึ้นจนถึงระดับที่อุตสาหกรรมสามารถพิจารณานำไปใช้ได้อย่างจริงจัง” ความเห็นนี้สะท้อนการประเมินของทีมวิจัยว่าเทคโนโลยีช่วยเพิ่มปริมาณการแปรรูป ซึ่งเป็นข้อจำกัดของเมมเบรนรุ่นก่อน

KAIST ประเมินว่า หากนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้ทั่วทั้งอุตสาหกรรมโรงกลั่นและปิโตรเคมีของเกาหลีใต้ อาจลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกได้ราว 10 ล้านตันต่อปี ตัวเลขนี้ตั้งอยู่บนสมมติฐานว่ามีการใช้งานทั่วทั้งอุตสาหกรรม ไม่ใช่ปริมาณการลดการปล่อยที่ยืนยันได้จากการทดลองครั้งนี้

ในโพสต์บน LinkedIn ไซเอ็ด อัซฟาร์ ฮุสเซน (Syed Azfar Hussain) ให้ความเห็นว่าการทดลอง 4 สัปดาห์ยังไม่พิสูจน์ว่าเมมเบรนจะทำงานได้ตลอดการเดินระบบโรงกลั่นหลายปี และยังต้องทดสอบเพิ่มเติมเมื่อองค์ประกอบน้ำมันดิบเปลี่ยน มีสิ่งปนเปื้อน หรือใช้ในปริมาณการแปรรูปขนาดใหญ่ ความเห็นดังกล่าวมาจากโพสต์ส่วนบุคคล ขณะที่ KAIST ระบุว่าการพัฒนาโมดูลขนาดใหญ่และเพิ่มความน่าเชื่อถือในการเดินระบบระยะยาวเป็นงานขั้นต่อไป