來源：佐治亞理工學院

由佐治亞理工學院，倫敦帝國理工學院和埃克森美孚公司的研究人員開發的新膜技術可以幫助減少與精煉原油相關的碳排放和能源強度。實驗室測試表明，這種聚合物膜技術可以在將來代替某些傳統的基于熱的蒸餾工藝。

使用基于熱的蒸餾來分餾原油混合物是一種大規模的能源密集型過程，占世界能源使用量的近1％：每年1,100太瓦小時（TWh /年），相當于總能耗紐約州一年內消耗的能源。通過將低能膜替換為蒸餾過程中的某些步驟，這項新技術可能有一天可以實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：“我們現代生活中的大部分來自石油，因此這些分子的分離使我們的現代文明成為可能。” Finn，喬治亞理工學院化學與生物化學學院教授兼系主任。 Finn還擔任James A. Carlos兒童技術家庭主席。 “提供我們使用的產品所需的分離規模非常大。這種膜技術可能會對全球能源消耗以及由此產生的石油加工排放產生重大影響。”

該論文被發表在7月17日的《科學》雜志上，該論文被認為是專門設計用于分離原油和原油餾分的合成膜的第一份報告。為了使該技術達到工業規模，還需要進行更多的研究和開發。

膜技術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，研究團隊開發了一種新型螺環聚合物，該聚合物被用于堅固的基材上，從而能夠通過施加壓力而不是加熱來分離復雜的烴類混合物。

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，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，通過連接具有扭結結構的結構單元以產生具有內置空隙的無序材料來構建聚合物。

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

埃克森美孚（ExxonMobil）資深研究助理，論文的合著者之一本·麥庫爾（Ben McCool）說：“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，我們似乎可以通過蒸餾塔進行分餾，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，在所有三個組織中對樣品進行了測試，從而提供了多實驗室對膜功能的確認。

帝國理工化學工程學教授安德魯·利文斯頓（Andrew Livingston）表示：“我們具有將有機溶劑納米過濾（一種膜技術廣泛應用于制藥和化工行業）推向市場的基礎經驗。” “我們與埃克森美孚公司和佐治亞理工學院進行了廣泛的合作，以證明該技術可擴展到石油工業所需水平的潛力。”

研究團隊創建了一條創新管道，從基礎研究一直延伸到可以在實際條件下進行測試的技術。

佐治亞理工學院化學與生物分子工程學院副教授兼John H. Woody研究員Ryan Lively說：“我們將基礎科學和化學，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形狀因數而受到真正原油挑戰的膜組件原型-看到這種創新管道的運轉真是太棒了。”

埃克森美孚與佐治亞理工學院的關系已有近15年的歷史，并在其他分離技術方面進行了創新，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稱為烷基芳烴的烴類分子所需的能量。

埃克森美孚研究與工程公司研發副總裁Vijay Swarup表示：“通過與喬治亞理工大學和帝國理工等強大的學術機構合作，我們一直在努力開發未來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；以及埃克森美孚（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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