來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院

由佐治亞理工學(xué)院，倫敦帝國理工學(xué)院和�？松�美孚公司的研究人員開(kāi)發(fā)的新膜技術(shù)可以幫助減少與精煉原油相關(guān)的碳排放和能源強度。實(shí)驗室測試表明，這種聚合物膜技術(shù)可以在將來(lái)代替某些傳統的基于熱的蒸餾工藝。

使用基于熱的蒸餾來(lái)分餾原油混合物是一種大規模的能源密集型過(guò)程，占世界能源使用量的近1％：每年1,100太瓦小時(shí)（TWh /年），相當于總能耗紐約州一年內消耗的能源。通過(guò)將低能膜替換為蒸餾過(guò)程中的某些步驟，這項新技術(shù)可能有一天可以實(shí)現一種混合精制系統，與傳統的精制方法相比，該系統可以幫助減少碳排放量和能源消耗。

M.G.說(shuō)：“我們現代生活中的大部分來(lái)自石油，因此這些分子的分離使我們的現代文明成為可能。” Finn，喬治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物化學(xué)學(xué)院教授兼系主任。 Finn還擔任James A. Carlos兒童技術(shù)家庭主席。 “提供我們使用的產(chǎn)品所需的分離規模非常大。這種膜技術(shù)可能會(huì )對全球能源消耗以及由此產(chǎn)生的石油加工排放產(chǎn)生重大影響。”

該論文被發(fā)表在7月17日的《科學(xué)》雜志上，該論文被認為是專(zhuān)門(mén)設計用于分離原油和原油餾分的合成膜的第一份報告。為了使該技術(shù)達到工業(yè)規模，還需要進(jìn)行更多的研究和開(kāi)發(fā)。

膜技術(shù)已被廣泛用于海水淡化等應用中，但迄今為止，石油精制的復雜性限制了膜的使用。為了克服這一挑戰，研究團隊開(kāi)發(fā)了一種新型螺環(huán)聚合物，該聚合物被用于堅固的基材上，從而能夠通過(guò)施加壓力而不是加熱來(lái)分離復雜的烴類(lèi)混合物。

膜根據大小和形狀等差異從混合物中分離分子。當分子的尺寸非常接近時(shí)，分離變得更具挑戰性。使用眾所周知的在氮和碳原子之間形成鍵的方法，通過(guò)連接具有扭結結構的結構單元以產(chǎn)生具有內置空隙的無(wú)序材料來(lái)構建聚合物。

該團隊能夠權衡各種因素，以創(chuàng )建正確的溶解度組合-使膜可以通過(guò)簡(jiǎn)單且可擴展的加工過(guò)程形成-并具有結構剛性-使某些小分子比其他分子更容易通過(guò)。出乎意料的是，研究人員發(fā)現，這些材料需要少量的結構柔性來(lái)改善尺寸辨別力，并且需要對原油中大量發(fā)現的某些類(lèi)型的分子略有“粘性”。

在設計了新型聚合物并在合成汽油，噴氣燃料和柴油混合物中取得了一些成功之后，研究小組決定嘗試分離原油樣品，并發(fā)現新的膜在從汽油中回收汽油和噴氣燃料方面非常有效。復雜的混合物。

�？松�美孚（ExxonMobil）資深研究助理，論文的合著(zhù)者之一本·麥庫爾（Ben McCool）說(shuō)：“我們最初試圖分離出太相似的分子混合物。” “當我們使用更復雜的原料原油時(shí)，我們似乎可以通過(guò)蒸餾塔進(jìn)行分餾，這表明該概念的巨大潛力。”

研究人員共同合作，使用了在喬治亞理工大學(xué)設計和測試的聚合物，然后將其轉換為200納米厚的薄膜，并采用卷對卷工藝將其并入Imperial的膜組件中。然后，在所有三個(gè)組織中對樣品進(jìn)行了測試，從而提供了多實(shí)驗室對膜功能的確認。

帝國理工化學(xué)工程學(xué)教授安德魯·利文斯頓（Andrew Livingston）表示：“我們具有將有機溶劑納米過(guò)濾（一種膜技術(shù)廣泛應用于制藥和化工行業(yè)）推向市場(chǎng)的基礎經(jīng)驗。” “我們與�？松�美孚公司和佐治亞理工學(xué)院進(jìn)行了廣泛的合作，以證明該技術(shù)可擴展到石油工業(yè)所需水平的潛力。”

研究團隊創(chuàng )建了一條創(chuàng )新管道，從基礎研究一直延伸到可以在實(shí)際條件下進(jìn)行測試的技術(shù)。

佐治亞理工學(xué)院化學(xué)與生物分子工程學(xué)院副教授兼John H. Woody研究員Ryan Lively說(shuō)：“我們將基礎科學(xué)和化學(xué)，應用的膜制造基礎知識以及膜工作原理的工程分析結合在一起。” “我們能夠從毫克級粉末一直到以商業(yè)形狀因數而受到真正原油挑戰的膜組件原型-看到這種創(chuàng )新管道的運轉真是太棒了。”

�？松�美孚與佐治亞理工學(xué)院的關(guān)系已有近15年的歷史，并在其他分離技術(shù)方面進(jìn)行了創(chuàng )新，包括一種新型的基于碳的分子篩膜，該膜可以大大降低分離一類(lèi)稱(chēng)為烷基芳烴的烴類(lèi)分子所需的能量。

�？松�美孚研究與工程公司研發(fā)副總裁Vijay Swarup表示：“通過(guò)與喬治亞理工大學(xué)和帝國理工等強大的學(xué)術(shù)機構合作，我們一直在努力開(kāi)發(fā)未來(lái)的低排放能源解決方案。”

除Finn，Livingston，Lively和McCool外，該論文的作者還包括佐治亞理工大學(xué)的研究生Kirstie Thompson和Ronita Mathias，他們是第一作者。 Daeok Kim，Jihoon Kim，Irene Bechis，Andrew Tarzia和Imperial的Kim Jelfs；以及�？松�美孚（ExxonMobil）的Neel Rangnekar、J.R.Johnson 和斯科特·霍伊（Scott Hoy）

CITATION: Kirstie Thompson, et al., “N-Aryl Linked Spirocyclic Polymers for Membrane Separations of Complex Hydrocarbon Mixtures” (Science 2020). https://science.sciencemag.org/content/369/6501/310

原文鏈接：https://news.gatech.edu/2020/07/16/membrane-technology-could-cut-emissions-and-energy-use-oil-refining

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