Anne Trafton 2025-05-26 21:42 北京
目前，全球 6% 的二氧化碳排放来自原油分馏过程，这一将原油分离为汽油、柴油和取暖油等产品的工艺需要消耗巨大
目前，全球 6% 的二氧化碳排放来自原油分馏过程，这一将原油分离为汽油、柴油和取暖油等产品的工艺需要消耗巨大能量，其中大部分能量用于通过沸点差异实现组分分离所需的热量。
近日，麻省理工学院（MIT）的工程师们开发出一种膜，可以根据分子大小过滤原油成分，这一进展可能大幅降低原油分馏所需能量。相关研究发表在 Science 期刊，该研究部分经费由石油公司埃克森美孚通过 MIT 能源计划资助。
MIT 化学工程系副教授、该研究的领导者 Zachary Smith 表示：“我们正在重新定义分离工艺——不再依赖沸点差异进行纯化，而是基于分子形状和尺寸实现分离。关键突破在于这种滤膜能在原子尺度精确筛分微小分子。”
这种新型过滤膜有三大技术优势。其一，能有效分离石油中的重质和轻质成分；其二，克服传统油分离膜易发生的溶胀现象；其三，该膜采用现有成熟工艺制备薄膜，具备快速规模化应用条件。
论文第一作者、现韩国成均馆大学助理教授 Taehoon Lee（MIT前博士后）指出，该技术有望重塑价值数千亿美元的石油精炼行业格局。据估算，若全面替代传统热分馏工艺，全球炼油行业年减排量可达数亿吨级。
传统热驱动原油分馏过程约占全球能源消耗量的 1%。据估计，使用膜分离原油可将能源需求降低约 90%。要实现这一目标，分离膜需满足两大核心要求：一是允许碳氢化合物快速通过，二是能按分子尺寸实现选择性筛分。
此前，开发碳氢化合物过滤膜的研究主要聚焦于固有微孔聚合物（PIMs），尤其是 PIM-1 材料。尽管这种多孔材料可使碳氢化合物快速传输，但会过度吸收部分通过膜的有机化合物，导致薄膜膨胀，损害其尺寸筛分能力。
为寻求更佳方案，MIT 团队创新性地改造了反渗透海水淡化膜材料。自 20 世纪 70 年代问世以来，反渗透膜已将海水淡化能耗降低约 90%，堪称工业领域的成功典范。
最常用的反渗透膜是通过界面聚合法制备的聚酰胺薄膜（MPD-TMC）：水相中的亲水单体 MPD 与正己烷有机相中的疏水单体 TMC 在界面处通过酰胺键反应形成超薄聚酰胺膜。然而，传统 MPD-TMC 膜既不具备合适孔径，也缺乏抗溶胀特性，无法直接用于碳氢化合物分离。
研究团队通过三大创新实现技术突破。化学键改造：将连接单体的酰胺键替换为刚性更强的亚胺键，显著提升疏水性和结构稳定性；交联化学：引入交联结构使材料在碳氢化合物环境中保持孔隙稳定；分子筛设计：添加具有形状持久性的三蝶烯单体，精确调控孔径尺寸。
Smith 指出：“聚亚胺材料在界面处形成孔隙结构，由于引入的交联化学结构，材料不再溶胀。即使在碳氢化合物环境中，这些孔隙也不会像其他材料那样发生膨胀。”
未参与此研究的伦敦玛丽女王大学化学工程教授 Andrew Livingston 评价称，该方法代表着向降低工业能耗迈出重要一步。“这项研究将膜脱盐行业的界面聚合技术创造性应用于碳氢化合物原料分离——当前全球能源消耗的重要领域。通过界面催化剂与疏水单体的巧妙结合，实现了兼具高渗透率和优异选择性的新型膜材料。”
研究人员采用甲苯和三异丙基苯（TIPB）混合物作为基准测试体系时，新型膜材料可使甲苯浓度达到原始混合物的 20 倍。在更具工业意义的石脑油-煤油-柴油混合体系测试中，该膜同样展现出基于分子尺寸的高效轻重组分分离能力。
研究人员表示，若应用于工业场景，可通过串联多组过滤膜逐步提高目标产物浓度。
Smith 设想：“这种膜可取代原油分馏塔的初始阶段，先实现轻重分子初步分离，再通过级联膜系统从复杂混合物中精准提纯所需化学品。”
由于界面聚合法已广泛用于制造海水淡化膜，研究团队认为可通过调整工艺实现新型薄膜的大规模生产。
Taehoon Lee 表示：“界面聚合是成熟的水净化膜制备方法，完全可将相关化学工艺应用于现有生产线实现规模化生产。”
原文链接：
https://news.mit.edu/2025/new-approach-could-fractionate-crude-oil-using-less-energy-0522
