将原油转化为汽油、柴油和取暖油等日常燃料需要消耗大量能源。事实上，这一过程约占全球二氧化碳排放量的6%。大部分能源都用于加热原油，根据沸点分离其成分。如今，麻省理工学院的工程师们取得了一项激动人心的突破，发明了一种可能改变现状的新型膜。这种创新膜无需加热，而是根据分子大小过滤原油成分，从而实现原油分离。
“这是一种全新的分离过程构想。与其通过煮沸混合物来净化它们，为什么不根据形状和大小来分离成分呢？关键的创新在于，我们开发的过滤器可以在原子尺度上分离非常小的分子，”麻省理工学院化学工程副教授、这项新研究的资深作者扎卡里·P·史密斯 (Zachary P. Smith) 说道。
这种新型过滤膜能够高效地从油中分离重组分和轻组分，并且能够抵抗其他类型油分离膜容易出现的膨胀现象。该膜是一种薄膜，其制造技术已广泛应用于工业生产，因此有望实现规模化生产并广泛应用。
Taehoon Lee 曾是麻省理工学院的博士后，现在是韩国成均馆大学的助理教授，他是这篇论文的主要作者，该论文发表在今天的《科学》杂志上。
传统的热驱动原油分馏工艺约占全球能源消耗的1%，据估计，使用膜分离原油可减少约90%的能源需求。为了实现这一目标，分离膜需要能够让碳氢化合物快速通过，并选择性地过滤不同大小的化合物。
到目前为止，开发碳氢化合物过滤膜的大部分努力都集中在固有微孔聚合物（PIM）上，其中包括一种名为PIM-1的聚合物。虽然这种多孔材料能够快速输送碳氢化合物，但它往往会在有机化合物穿过膜时过度吸收它们，导致膜膨胀，从而削弱其尺寸筛选能力。
为了找到更好的替代方案，麻省理工学院的研究团队决定尝试修改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了约90%，这是一个非凡的工业成功案例。
最常用的海水淡化膜是聚酰胺膜，其制造方法称为界面聚合。在此过程中，水和己烷等有机溶剂的界面上会形成一层薄薄的聚合物膜。水和己烷通常不会混合，但在它们的界面上，溶解在其中的少量化合物可以相互反应。
麻省理工学院的工程师们研发出一种膜（如图），可以根据原油分子大小过滤其成分。这项技术进步有望大幅降低原油分馏所需的能量。图片来源：麻省理工学院
在这种情况下，一种名为MPD的亲水单体溶于水，与一种名为TMC的疏水单体溶于己烷发生反应。这两种单体通过一种称为酰胺键的连接方式结合在一起，在水-己烷界面上形成一层聚酰胺薄膜（名为MPD-TMC）。
尽管 MPD-TMC 对海水淡化非常有效，但它不具备合适的孔径和抗膨胀性，无法分离碳氢化合物。
为了使该材料能够分离原油中的碳氢化合物，研究人员首先对薄膜进行了改性，将连接单体的键从酰胺键改为亚胺键。这种键更坚固、更疏水，这使得碳氢化合物能够快速穿过膜，而不会像聚酰胺膜那样引起膜明显膨胀。
“聚亚胺材料在界面处形成孔隙，由于我们添加了交联化学反应，现在它不会膨胀，”史密斯说。“在油相中制备它，让它在水界面发生反应，通过交联，它就被固定住了。所以，即使这些孔隙暴露在碳氢化合物中，也不会像其他材料那样膨胀。”
研究人员还引入了一种名为三蝶烯的单体。这种形状持久、分子选择性强的分子进一步帮助生成的聚亚胺形成适合碳氢化合物通过的孔隙。
当研究人员使用这种新型膜过滤甲苯和三异丙苯（TIPB）混合物作为评估分离性能的基准时，其甲苯浓度能够达到原始混合物浓度的20倍。他们还用由石脑油、煤油和柴油组成的工业相关混合物对该膜进行了测试，发现它可以根据分子大小有效地分离较重和较轻的化合物。
研究人员表示，如果适用于工业用途，一系列过滤器可用于在每一步产生更高浓度的所需产品。
“可以想象，有了这样的膜，你就可以拥有一个替代原油分馏塔的初始阶段。你可以分离重分子和轻分子，然后你可以使用不同的膜进行级联净化复杂的混合物，以分离出你需要的化学物质，”史密斯说。
界面聚合已经广泛用于制造海水淡化膜，研究人员相信可以采用这些工艺来大规模生产他们在本研究中设计的薄膜。
“界面聚合的主要优势在于它已经是一种成熟的制备水净化膜的方法，因此你可以想象将这些化学方法应用到现有规模的生产线中，”Lee 说。
编译自/ScitechDaily