一种新方法能够以大大减少的能耗分馏原油

在一项可能大幅减少原油分馏所需能源的进展中，麻省理工学院的工程师开发出一种薄膜，可通过分子大小过滤原油组分。

“这是一种构想分离过程的崭新方式。与其通过沸腾混合物进行提纯，为何不基于形状和大小分离组分？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、这项新研究的资深作者扎卡里·P·史密斯（Zachary P. Smith）表示。

这种新型过滤膜能高效分离石油中的重质和轻质组分，并且能抵抗其他类型油分离膜常发生的溶胀现象。该膜是一种可通过已在工业过程中广泛使用的技术制造的薄膜，有望扩大规模以实现广泛应用。

论文的主要作者是李泰勋（Taehoon Lee），他曾是麻省理工学院博士后，现为韩国成均馆大学助理教授。该论文今日发表于《科学》（Science）期刊。

原油分馏

传统热驱动原油分馏工艺约占全球能源消耗的1%，据估计采用膜进行原油分离可使所需能源减少约90%。为实现这一目标，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主要集中在固有微孔聚合物（PIMs）上，包括一种名为PIM-1的材料。尽管这种多孔材料允许碳氢化合物快速传输，但它往往会在化合物通过薄膜时过度吸收某些有机化合物，导致薄膜溶胀，从而损害其尺寸筛分能力。

为寻求更好的替代方案，麻省理工学院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约90%——这是一个显著的工业成功案例。

海水淡化最常用的膜是采用界面聚合法制备的聚酰胺。在此过程中，薄聚合物膜在水与有机溶剂（如己烷）的界面处形成。水和己烷通常不相溶，但在其界面处，溶解于其中的少量化合物可相互反应。

在此情况下，溶解于水的亲水性单体MPD与溶解于己烷的疏水性单体TMC发生反应。两种单体通过酰胺键连接，在水-己烷界面形成聚酰胺薄膜（命名为MPD-TMC）。

尽管MPD-TMC对海水淡化极为有效，但它不具备分离碳氢化合物所需的适当孔径和抗溶胀性。

为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改性薄膜。该键更刚硬且疏水，与聚酰胺对应物相比，可使碳氢化合物快速通过薄膜而不引起明显溶胀。

“聚亚胺材料在界面处形成孔隙，并且由于我们添加的交联化学作用，现在得到了一种不会溶胀的材料，”史密斯解释道。“你在油相中制备，在水界面反应，通过交联作用使其固定。因此即使暴露于碳氢化合物，这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。这种形状持久、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

当研究人员使用这种新型膜过滤甲苯与三异丙苯（TIPB）的混合物（作为分离性能的基准测试）时，其甲苯浓缩浓度可达原始混合物的20倍。他们还采用由石脑油、煤油和柴油组成的工业相关混合物测试该膜，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，若用于工业领域，一系列这类过滤器可在每个分离阶段产生更高浓度的目标产物。

“可以设想，使用这种膜可构建替代原油分馏塔的初始阶段。你可以分离重分子和轻分子，然后通过级联的不同膜来提纯复杂混合物，以分离所需的化学品，”史密斯说明。

界面聚合法已被广泛用于制造海水淡化膜，研究人员认为应有可能调整这些工艺来实现本研究中设计的薄膜大规模生产。

“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，因此可以设想将这些化学工艺直接应用于现有的规模化生产线，”李泰勋表示。

该研究部分由埃克森美孚（ExxonMobil）通过麻省理工学院能源计划资助。