來(lái)源：佐治亞理工學(xué)院

由佐治亞理工學(xué)院，倫敦帝國(guó)理工學(xué)院和埃克森美孚公司的研究人員開發(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(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試表明，這種聚合物膜技術(shù)可以在將來(lái)代替某些傳統(tǒng)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(guī)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(dāng)于總能耗紐約州一年內(nèi)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(xiàng)新技術(shù)可能有一天可以實(shí)現(xiàn)一種混合精制系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的精制方法相比，該系統(tǒng)可以幫助減少碳排放量和能源消耗。

M.G.說(shuō)：“我們現(xiàn)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(xiàn)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(dān)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(guī)模非常大。這種膜技術(shù)可能會(huì)對(duì)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(rèn)為是專門設(shè)計(jì)用于分離原油和原油餾分的合成膜的第一份報(bào)告。為了使該技術(shù)達(dá)到工業(yè)規(guī)模，還需要進(jìn)行更多的研究和開發(fā)。

膜技術(shù)已被廣泛用于海水淡化等應(yīng)用中，但迄今為止，石油精制的復(fù)雜性限制了膜的使用。為了克服這一挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種新型螺環(huán)聚合物，該聚合物被用于堅(jiān)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(fù)雜的烴類混合物。

膜根據(jù)大小和形狀等差異從混合物中分離分子。當(dāng)分子的尺寸非常接近時(shí)，分離變得更具挑戰(zhàn)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(jié)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)單元以產(chǎn)生具有內(nèi)置空隙的無(wú)序材料來(lái)構(gòu)建聚合物。

該團(tuán)隊(duì)能夠權(quán)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(kuò)展的加工過(guò)程形成-并具有結(jié)構(gòu)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(xiàn)，這些材料需要少量的結(jié)構(gòu)柔性來(lái)改善尺寸辨別力，并且需要對(duì)原油中大量發(fā)現(xiàn)的某些類型的分子略有“粘性”。

在設(shè)計(jì)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(xiàn)新的膜在從汽油中回收汽油和噴氣燃料方面非常有效。復(fù)雜的混合物。

�？松�美孚（ExxonMobil）資深研究助理，論文的合著者之一本·麥庫(kù)爾（Ben McCool）說(shuō)：“我們最初試圖分離出太相似的分子混合物。” “當(dāng)我們使用更復(fù)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(shè)計(jì)和測(cè)試的聚合物，然后將其轉(zhuǎn)換為200納米厚的薄膜，并采用卷對(duì)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(duì)樣品進(jìn)行了測(cè)試，從而提供了多實(shí)驗(yàn)室對(duì)膜功能的確認(rèn)。

帝國(guó)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(jī)溶劑納米過(guò)濾（一種膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于制藥和化工行業(yè)）推向市場(chǎng)的基礎(chǔ)經(jīng)驗(yàn)。” “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(kuò)展到石油工業(yè)所需水平的潛力。”

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建了一條創(chuàng)新管道，從基礎(chǔ)研究一直延伸到可以在實(shí)際條件下進(jìn)行測(cè)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(chǔ)科學(xué)和化學(xué)，應(yīng)用的膜制造基礎(chǔ)知識(shí)以及膜工作原理的工程分析結(jié)合在一起。” “我們能夠從毫克級(jí)粉末一直到以商業(yè)形狀因數(shù)而受到真正原油挑戰(zhàn)的膜組件原型-看到這種創(chuàng)新管道的運(yùn)轉(zhuǎn)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稱為烷基芳烴的烴類分子所需的能量。

�？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(guó)理工等強(qiáng)大的學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)合作，我們一直在努力開發(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

聲明：本文由仁達(dá)化工編譯，中文內(nèi)容僅供參考，一切內(nèi)容以英文原版為準(zhǔn)。