薄膜炼油廉价环保
为生产燃料和化学品，炼油厂一刻不停地熬制原油。较轻的碳氢化合物上浮并被捕获，随后分离加工成汽油、航空燃料和取暖用油等产品。这种由燃烧化石燃料驱动的耗能过程消耗了全球约1%的能源，并贡献了6%的碳排放。
近日，一项发表于《科学》的研究提出了创新解决方案。一种在中等温度下工作的耐用塑料薄膜，能够将较轻与较重的碳氢化合物分离，从而大幅降低该过程能耗。
美国得克萨斯大学奥斯汀分校的化学工程师Benny Freeman说，这种膜的制造技术与海水淡化厂用于过滤海水的膜相似，可依托现有的脱盐膜基础设施，这一优势为其商业应用铺平了道路。
近年来，油分离膜的制造一直是热点。2020年，美国佐治亚理工学院化学工程师Ryan Lively团队开发出一种膜，在分离原油中最轻的碳氢化合物方面表现出色。但这样的膜由面条状的聚合物链制成，当接触到油时会膨胀，导致网状结构扩张、孔径增大，从而使较重的油的成分可以通过。更糟糕的是，原油中的化学溶剂可以完全溶解这些聚合物。
为解决这一问题，研究人员在聚合物链之间添加了交联分子支柱，但这样做会减缓油的流速。考虑到商业可行性，研究人员不得不通过扩大膜面积来实现一定的吞吐量，最终使成本升高。
针对上述挑战，美国麻省理工学院的化学工程师Zachary Smith和同事试图用聚合物构建膜，使其在溶剂中也能保持刚性。为保持孔隙大小一致，他们使用了两组名为单体的聚合物构建块，其中一组具有在油中保持尖刺形状的特性。Smith团队还添加了交联分子支柱，在防止膜膨胀的同时提高耐用性。稳定的尖刺状单体可以使膜保持稳定的孔径，从而保证吞吐量一致。此外，研究人员选择从这些聚合物中典型的化学键——酰胺键，切换到酰亚胺键，以更好地吸引油性分子，使所需的碳氢化合物更容易通过膜的孔隙。
上述方法构建的膜奏效了。它能够选择性地滤出制造汽油所使用的较小碳氢化合物，效率几乎是Lively团队2020年研究的4倍，同时Smith团队还将通过膜的碳氢化合物的流速提高了50%。
而且，上述新膜与商业化海水淡化膜的合成方式类似。因此，Smith团队的新膜生产技术很容易被海水淡化膜制造商采用。
不过Freeman指出，炼油厂不太可能在一夜之间改用膜分离方式生产燃料。但海水淡化行业的实践表明，从加热转向膜处理具有成本效益，因此炼油厂改变生产工艺可能不会滞后太久。（徐锐）
相关论文信息：
https://doi.org/10.1126/science.adv6886
