一种新方法能够以大幅降低的能耗实现原油分馏

在一项可显著减少原油分馏所需能源的技术进展中，麻省理工学院的工程师们开发出一种能按分子大小过滤原油成分的薄膜。

"这是一种重新构想分离过程的全新方式。与其通过沸腾混合物来进行提纯，为何不根据形状和大小来分离组分？关键创新在于我们开发的过滤器能在原子尺度上分离非常小的分子，"麻省理工学院化学工程副教授、这项新研究的通讯作者扎卡里·P·史密斯说道。

这种新型过滤膜能高效地将原油中的重质和轻质组分分离，并且它能抵抗其他类型油分离膜常发生的溶胀现象。该膜是一种薄膜，可以使用已在工业过程中广泛应用的制造技术生产，这使其有可能扩大规模以广泛使用。

论文第一作者是李泰勋（Taehoon Lee），他此前是麻省理工学院博士后研究员，现为韩国成均馆大学助理教授。该论文今日发表于《科学》(Science)杂志。

原油分馏

传统的热驱动原油分馏过程约占全球能源消耗的1%，据估计，使用薄膜进行原油分离可将所需能源减少约90%。为了实现这一目标，分离膜需要允许碳氢化合物快速通过，并能选择性地过滤不同尺寸的化合物。

迄今为止，开发碳氢化合物过滤膜的努力大多集中在固有微孔聚合物（PIMs）上，包括一种称为PIM-1的材料。尽管这种多孔材料允许碳氢化合物快速传输，但它往往会过度吸收一些穿过薄膜的有机化合物，导致薄膜溶胀，从而削弱其尺寸筛分能力。

为了找到更好的替代方案，麻省理工学院的研究团队决定尝试改性用于反渗透海水淡化的聚合物。自20世纪70年代采用以来，反渗透膜已将海水淡化的能耗降低了约90%——这是一个卓越的工业成功案例。

最常用的海水淡化膜是聚酰胺膜，通过一种称为界面聚合的方法制造。在此过程中，薄聚合物薄膜在水与诸如己烷等有机溶剂的界面处形成。水和己烷通常不相溶，但在它们的界面处，溶解在其中的少量化合物可以相互反应。

在此情况下，溶解在水中的亲水性单体MPD（间苯二胺）与溶解在己烷中的疏水性单体TMC（均苯三甲酰氯）发生反应。这两种单体通过称为酰胺键的连接结合在一起，在水-己烷界面处形成聚酰胺薄膜（命名为MPD-TMC）。

虽然MPD-TMC对于海水淡化非常有效，但它不具备分离碳氢化合物所需的恰当孔径尺寸和抗溶胀性。

为了使该材料适应原油中碳氢化合物的分离，研究人员首先通过将连接单体的键从酰胺键改为亚胺键来对薄膜进行改性。该键更刚硬且疏水，与聚酰胺同类物相比，这使得碳氢化合物能够快速通过薄膜而不会引起明显的溶胀。

"聚亚胺材料在界面处形成孔隙，由于我们添加的交联化学作用，现在得到的材料不会溶胀，"史密斯解释道。"你在油相中制造它，在水界面处反应，通过交联作用，它现在被固定化了。因此，即使暴露在碳氢化合物中，那些孔隙也不再像其他材料那样溶胀。"

研究人员还引入了一种名为三蝶烯（triptycene）的单体。这种形状稳定、具有分子选择性的分子进一步帮助生成的聚亚胺形成适合碳氢化合物通过的孔径。

高效分离

当研究人员使用新膜过滤甲苯和三异丙基苯（TIPB）的混合物作为评估分离性能的基准时，它能够实现甲苯浓度达到原始混合物浓度的20倍。他们还在一个包含石脑油、煤油和柴油的工业相关混合物上测试了该膜，发现它能根据分子大小有效分离重质和轻质化合物。

研究人员表示，如果应用于工业用途，可以串联一系列此类过滤器，在每一步骤产生更高浓度的所需产品。

"可以想象，有了这样的膜，你可以用一个初始阶段取代原油分馏塔。你可以将重分子和轻分子分开，然后在一个级联中使用不同的膜来纯化复杂混合物，以分离出你所需要的化学品，"史密斯说。

界面聚合已广泛用于制造海水淡化膜，研究人员认为，应该可以将这些工艺调整后用于大规模生产他们在本研究设计的薄膜。

"界面聚合的主要优势在于它已是制备水净化膜的成熟方法，因此可以想象，只需将这些化学方法应用到现有的规模化生产线中即可，"李泰勋说。

该研究部分由埃克森美孚公司通过麻省理工学院能源计划资助。