这项国际研究工作由韩国科学技术院（KAIST）的高东延（Dong-Yeun Koh）教授领导，并与佐治亚理工学院的瑞安·莱夫利（Ryan Lively）教授研究小组合作完成。韩国科学技术院（校长李光兴）宣布，该团队成功展示了一种能够在室温下分离原油的膜。该研究成果发表在世界顶尖科学期刊之一《自然》（Nature）上。
原油不仅对于汽油和其他运输燃料至关重要，它还为制造塑料、包装、服装和众多日常产品提供了原材料。由于炼油成本会影响这些材料的价格，提高该过程的效率将带来广泛的经济和环境效益。
为什么传统原油炼制需要如此多的能源
一个多世纪以来，炼油厂一直严重依赖蒸馏技术将原油分离成有用的组分。该过程涉及将油加热到350 °C以上的温度，使其部分转化为蒸汽，然后冷却这些蒸汽以收集不同的馏分。
这种方法需要消耗巨大的能量。在全球范围内，原油蒸馏每年消耗约1,100太瓦时（TWh）的电力。这相当于约130座连续运行的、每座容量约为1吉瓦的核电站的年发电总量。
巨大的能源需求使得蒸馏成为炼油行业燃料消耗和温室气体排放的主要来源。与此同时，全球石化市场日益增长的经济压力，增加了人们对能够更高效分离石油技术的兴趣。
膜技术已成为一种极具前景的替代方案，因为它们可以在不需要传统蒸馏中使用的极端温度的情况下分离物质。然而，先前的设计面临着重大障碍。
传统上，研究人员认为有效的分子分离需要一种覆盖有极薄特种涂层的膜。虽然这些涂层可以提供必要的精度，但它们生产成本高昂，且在大规模制造时容易产生缺陷。这些局限性使得其难以在工业上广泛采用。
一项惊人的发现将堵塞的过滤器转化为优势
韩国科学技术院和佐治亚理工学院的研究人员采用了不同的方法来解决这个问题。他们没有添加复杂的涂层，而是使用了一种由多孔聚丙烯腈（PAN）制成的裸膜，这是一种廉价、化学性质稳定的聚合物，已广泛用作工业过滤系统中的支撑材料。
当原油通过该膜时发生的情况出乎意料。
随着油流经其孔隙，较重的烃分子沿内壁积聚。这种积聚逐渐缩小了孔口的尺寸，形成了宽度小于2纳米的极窄通道。
实际上，原油帮助创造了分离其自身组分所需的微观通道。
这些自然形成的通道允许较轻的油馏分（包括石脑油、汽油和煤油）快速通过，同时阻碍较重物质顺利穿过膜。
这一发现尤其令人惊讶，因为膜孔内物质的积聚（即所谓的“污染”）通常被视为一个严重的问题。污染通常会降低过滤性能，需要清洗或更换。然而在这种情况下，同样的现象却使该膜在分离不同分子方面变得非常有效。
结果令人印象深刻。这种无涂层PAN膜的原油渗透速率约为此前领先的原油分离膜报道速率的23倍。它还连续28天保持稳定的运行性能。
佐治亚理工学院的瑞安·莱夫利（Ryan Lively）教授评论道：“原油分离膜系统面临的关键挑战之一是膜单元的生产率低——具有惊人分离机制的PAN膜显著提高了膜单元的生产率，达到了业界应认真考虑采用该技术的程度。”
新膜技术有望将炼油能耗降低近三分之一
该技术的一大优势是，炼油厂不一定需要更换现有设备即可使用它。
相反，该膜可以作为模块化过滤系统安装，在原油进入传统蒸馏设备之前对其进行处理。这将减少加热和分离阶段所需的工作量，同时允许设施继续使用其大部分现有基础设施。
计算机模拟表明，将这种膜纳入炼油工艺可带来显著改善。能耗可下降31.6%，二氧化碳排放量可减少37.6%。同样的计算预测，冷却水消耗量将减少20.7%，运营成本将降低36%。
如果该技术得到广泛应用，其潜在的环境效益将是相当可观的。
研究人员估计，在韩国整个炼油和石化行业实施该系统，每年可防止约1000万吨温室气体排放。这大致相当于400万辆内燃机汽车的年排放总量。
这些节省是基于工艺模拟的预测，而非运营炼油厂中已证实的减排量。尽管如此，这些发现表明膜过滤可能成为提高现有设施效率的一种实用方法。
炼油之外的应用
虽然原油分离是这项研究的主要焦点，但同样的技术最终可能在其他几个行业中发挥作用。
一个潜在的应用涉及处理废塑料分解回收时产生的热解油。这些膜还可以帮助回收电池制造中使用的溶剂、纯化药物化合物以及改进生物燃料生产。
更广泛的机会在于利用复杂的液体混合物来帮助形成分离其组分所需的微小过滤通道。这种方法可以提供一种比需要精密制造表面涂层的传统膜更经济、更通用的替代方案。
韩国科学技术院的高东延（Dong-Yeun Koh）教授表示：“这项研究揭示了一个新的科学原理，即膜与复杂混合物相互作用并自发形成其自身的分离通道。通过与HD现代Oilbank提供的真实原油合作，我们能够在与工业运营相关的条件下验证该技术。”
使用实际原油是这项研究的重要组成部分，因为它使团队能够考察该膜在工业原料中复杂的烃类混合物下的表现。
在该技术能够更广泛部署之前，研究人员计划改进更大规模的膜生产，并确立其在长期运行中的可靠性。
该研究的共同通讯作者、韩国科学技术院的李在宇（Jae W. Lee）教授补充道：“通过推进大面积膜模块化和长期运行可靠性，我们希望在整个炼油和石化行业推广基于膜的工艺。”
该研究的共同第一作者、韩国科学技术院的崔智勋（Jihoon Choi）博士和徐赫俊（Hyeokjun Seo）博士表示：“我们的目标是精确控制这种自发孔收缩现象，并将其开发为适用于整个炼油过程的膜平台。我们还旨在将该技术扩展到塑料回收、生物燃料纯化以及其他支持碳中和的可持续化学工艺中。”
该研究得到了韩国科学技术信息通信部通过杰出早期职业研究人员基础研究计划和工程研究中心（ERC）计划的支持。