一种新型方法能够以大幅降低的能耗分馏原油

麻省理工学院的工程师们开发出一种能按分子尺寸过滤原油成分的薄膜，这一进展有望显著降低原油分馏所需的能耗。

"这是一种全新的分离工艺构想。与其通过沸腾混合物来纯化，为何不基于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在原子级长度尺度上分离极小的分子，"麻省理工学院化学工程副教授、新研究的资深作者扎卡里·史密斯解释道。

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常见的溶胀现象。该膜是一种可通过工业界已广泛应用的工艺制造的薄膜，具有大规模推广应用的潜力。

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

原油分馏

传统热驱动原油分馏工艺约占全球能耗的1%。据估算，采用薄膜进行原油分离有望将所需能耗降低约90%。为实现这一目标，分离膜需满足两点：允许碳氢化合物快速渗透，并能按尺寸选择性过滤不同化合物。

迄今为止，开发碳氢化合物过滤膜的研究主要集中于固有微孔聚合物（PIMs），包括名为PIM-1的材料。虽然这种多孔材料能实现碳氢化合物的快速传输，但易过度吸收部分穿透薄膜的有机化合物，导致薄膜溶胀，从而削弱其尺寸筛分能力。

为寻求更优方案，麻省理工团队尝试改造用于反渗透海水淡化的聚合物。自1970年代应用以来，反渗透膜已将海水淡化能耗降低约90%——堪称工业界的非凡成功案例。

海水淡化最常用的膜是采用界面聚合法制备的聚酰胺薄膜。该工艺在水相与有机溶剂（如己烷）界面处形成聚合物薄膜。水和己烷通常互不相溶，但在其界面处，溶解于两相的微量化合物可发生反应。

具体而言，溶解于水的亲水性单体MPD（间苯二胺）与溶解于己烷的疏水性单体TMC（均苯三甲酰氯）发生反应。两者通过酰胺键连接，在水-己烷界面形成聚酰胺薄膜（命名为MPD-TMC）。

虽然MPD-TMC在海水淡化中效果卓著，但其孔径特性和抗溶胀能力尚不足以分离碳氢化合物。

为使该材料适应原油烃类分离，研究人员首先将连接单体的化学键由酰胺键改造为亚胺键。相较于聚酰胺材料，这种键更具刚性和疏水性，可使碳氢化合物快速穿透薄膜且不会引发显著溶胀。

"聚亚胺材料在界面处形成孔隙结构，我们引入的交联化学使其不再溶胀，"史密斯阐述道，"通过在油相制备，在水界面反应，经交联固定，这些孔隙即使暴露于碳氢化合物中也不再像其他材料那样膨胀。"

研究人员还引入名为三蝶烯（triptycene）的单体。这种具有形状持久性和分子选择性的分子进一步协助生成的聚亚胺形成精确匹配碳氢化合物尺寸的孔隙。

高效分离

研究人员采用新型膜过滤甲苯与三异丙基苯(TIPB)混合物作为性能评估基准，成功使甲苯浓度达到初始混合物的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，该膜能依据分子尺寸高效分离重组分与轻组分。

研究者表示，若应用于工业领域，通过串联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，利用此类薄膜构建的初始分离阶段可替代原油分馏塔。先分离轻重分子，再通过级联的不同薄膜提纯复杂混合物以获取所需化学品，"史密斯描述道。

界面聚合已是海水淡化膜制造的成熟工艺，研究人员认为可基于现有技术量产本研究设计的薄膜。

"界面聚合的主要优势在于它已是水净化膜的成熟制备方法，这意味着只需将现有化学工艺移植到规模化生产线即可，"李泰勋指出。

本研究部分经费由埃克森美孚通过麻省理工学院能源计划提供。