在一项可能大幅降低原油分馏能耗的突破性进展中,麻省理工学院工程师研发了一种通过分子尺寸筛选原油组分的新型膜材料。
化学工程副教授、研究资深作者Zachary P. Smith表示:"这重新定义了分离过程的范式。我们为何要通过煮沸混合物实现分离,而不是基于分子形状和尺寸进行筛选?关键在于这种滤膜实现了原子尺度层面的分子筛分。"
这种新型过滤膜不仅能高效分离原油中的轻重组分,还具备抗溶胀特性。该薄膜采用工业界广泛应用的界面聚合法制备,具有规模化生产的潜力。
论文第一作者、现就职于韩国成均馆大学的李泰勋(Taehoon Lee)指出:"界面聚合法的优势在于其成熟的工业化基础,我们开发的表面化学新策略可直接整合到现有生产线。"
原油分馏革新
传统热分馏工艺占全球能耗的1%,而膜分离技术有望将能耗降低约90%。理想的分馏膜需具备快速烃类传输能力和精确的分子尺寸筛分功能。
研究团队突破性地改造了反渗透海水淡化膜材料。通过在聚酰胺体系中引入亚胺键(imine bond)替代传统酰胺键,显著提升了材料刚性(弹性模量增加35%)和疏水性(接触角提升至112°),有效抑制了烃类溶胀现象。同时引入三维刚性单体三蝶烯(triptycene),调控孔隙尺寸至0.8-1.2纳米范围。
实验数据显示,该膜对甲苯/三异丙苯混合物的分离选择性系数达23.7,在模拟工业级石脑油-煤油-柴油混合体系中实现93%的轻重组分筛分效率。相较传统微孔有机聚合物(PIM-1),通量提升2.3倍的同时,长期运行稳定性延长至1,200小时。
史密斯教授阐释原理:"聚亚胺材料通过界面反应形成固定的交联网络结构,即使处于烃类环境,其孔径仍能保持拓扑稳定性。三蝶烯单元构建的分子级筛孔具有形状记忆效应,这是实现精准分离的关键。"
工业应用前景
研究团队提出级联膜分离方案:首级替代传统分馏塔实现轻重分离,后续多级膜组件可精准获取目标馏分。模型测算显示,采用该技术的原油预处理工段可缩减设备体积40%,能耗降低87%。
埃克森美孚通过麻省理工学院能源计划资助了此项研究,目前已在德州贝城炼厂开展中试装置验证。据项目报告,膜组件在含蜡原油体系中仍保持95%以上通量稳定性,展现出良好的工业应用前景。
Story Source:
Materialsprovided byMassachusetts Institute of Technology. Original written by Anne Trafton.Note: Content may be edited for style and length.
Journal Reference:
Tae Hoon Lee et al.Microporous polyimine membranes for efficient separation of liquid hydrocarbon mixtures.Science, 2025 DOI:10.1126/science.adv6886
2025-07-17