一种新方法可能使用少得多的能量分馏原油

在一项可能大幅降低原油分馏所需能耗的进展中，麻省理工学院的工程师开发出一种通过分子尺寸过滤原油成分的薄膜。

"这是一种全新的分离工艺构想方式。与其通过煮沸混合物进行提纯，为何不根据形状和尺寸来分离组分？关键创新在于我们开发的过滤器能够在原子尺度上分离微小分子，"麻省理工学院化学工程副教授、新研究的资深作者扎卡里·P·史密斯表示。

这种新型过滤膜能高效分离原油中的重组分和轻组分，并且能抵抗其他类型油分离膜容易发生的溶胀现象。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，有望实现规模化广泛应用。

论文第一作者李泰勋（Taehoon Lee）是麻省理工学院前博士后研究员，现任韩国成均馆大学助理教授。该研究今日发表于《科学》期刊。

原油分馏

传统的热驱动原油分馏工艺约占全球能源消耗的1%。据估算，采用薄膜进行原油分离可降低约90%的能耗需求。要实现这一目标，分离膜需满足两个关键条件：允许碳氢化合物快速通过，并能根据尺寸差异选择性过滤不同化合物。

迄今为止，碳氢化合物过滤膜的研发主要聚焦于固有微孔聚合物（PIMs），包括名为PIM-1的材料。虽然这种多孔材料可实现碳氢化合物的快速传输，但有机化合物通过时会过度吸收某些组分，导致薄膜溶胀，从而削弱其尺寸筛分能力。

为开发更优替代方案，麻省理工学院团队决定改造用于反渗透海水淡化的聚合物。自20世纪70年代应用以来，反渗透膜已将海水淡化的能耗降低约90%——堪称工业领域的重大成功案例。

最常用的海水淡化膜是采用界面聚合法制造的聚酰胺。该工艺过程中，水相与有机溶剂（如己烷）界面处会形成聚合物薄膜。水与己烷通常不相溶，但在界面处，溶解于两相的少量化合物可发生反应。

具体而言，溶解于水的亲水性单体MPD与溶解于己烷的疏水性单体TMC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）。

虽然MPD-TMC对海水淡化高度有效，但其孔径尺寸和抗溶胀性不足以实现碳氢化合物分离。

为使该材料适应原油中碳氢化合物的分离，研究人员首先将单体连接键从酰胺键改造为亚胺键。这种键具有更强的刚性和疏水性，相较于聚酰胺材料，可在不明显溶胀的情况下实现碳氢化合物快速渗透。

"聚亚胺材料在界面处形成孔隙结构，通过我们引入的交联化学作用，材料不再溶胀，"史密斯解释道。"在油相中制备，在水界面反应，交联作用使其结构固定。因此即使接触碳氢化合物，这些孔隙也不会像其他材料那样膨胀。"

研究人员还引入了单体三蝶烯（triptycene）。这种形状稳定且具有分子选择性的分子进一步促使生成的聚亚胺形成适合碳氢化合物通过的精确孔径。

高效分离

研究人员使用甲苯与三异丙苯（TIPB）的混合物作为分离性能基准测试物，新膜可使甲苯浓度达到原始混合物的20倍。在由石脑油、煤油和柴油组成的工业相关混合物测试中，该膜能根据分子尺寸高效分离重组分和轻组分。

研究人员表示，若应用于工业领域，采用多级此类过滤器可在每个分离阶段获得更高浓度的目标产物。

"可以设想：第一阶段用这种膜替代原油分馏塔，分离轻重分子；随后通过级联式多级膜提纯复杂混合物，最终分离出所需化学品，"史密斯补充道。

界面聚合技术已广泛用于制造海水淡化膜，研究人员认为完全可将现有工艺改造用于大规模生产本研究中设计的薄膜。

"界面聚合的主要优势在于它是成熟的水净化膜制备工艺，因此只需将现有化学工艺融入规模化生产线即可，"李泰勋指出。

本研究部分经费由埃克森美孚公司通过麻省理工学院能源计划提供。