用膜替代分馏环节，新技术有望让炼油行业更低碳、更环保

虽然可再生能源的比重越来越高，但是炼油行业依然是现代社会的支柱：其不仅提供了运输燃料，同时也为化工、制药提供基础原料。如何低碳、环保地生产已经成为业界关注的焦点。

《科学》近日发表的论文指出了低碳的方向：用膜来分离原油中的不同成分，替代之前高能耗、高污染的分馏工艺。

原油由超过8000种不同分子大小的碳氢化合物（及少量硫化合物）所组成的混合物。依据不同成分沸腾温度不同的特点，工业上先将石油加热至400℃~500℃之间，使其变成蒸气后输进分馏塔。

在分馏塔中，位置愈高，温度愈低。石油蒸气在上升途中会逐步液化，冷却及凝结成液体馏分。分子较小、沸点较低的气态馏份则慢慢地沿塔上升，在塔的高层凝结，例如燃料气(Fuel Gas)、液化石油气(LPG.)、轻油(Naphtha)、煤油(Kerosene) 等。分子较大、沸点较高的液态馏份在塔底凝结，例如柴油(Diesel)、润滑油及蜡等。在塔底留下的黏滞残余物为沥青及重油，可作为焦化和制取沥青的原料或作为锅炉燃料。

伦敦玛丽女王大学化学工程师安德鲁·利文斯顿在2年前就想过创造具有内置孔隙的膜，允许小而轻的碳氢化合物通过并拦住更大、更重的碳氢化合物。但是轻质碳氢化合物通过膜的速度太慢，无法使其在现实世界中使用。

为了解决这个问题，利文斯顿和他的同事们转向了一种工业方法，用于制造超薄水淡化膜，他们将其称为界面聚合。他们希望更薄的膜能够使所需的碳氢化合物更快地通过。然而，利文斯顿也认识到虽然通常用于海水淡化的膜在水性环境中是坚固的，但当接触到包括工业溶剂在内的碳氢化合物时，它们很快就会分崩离析。

因此，他和同事们革新了传统膜所用的聚合物。首先，他们制造了单独的聚合物，将疏水性或油状部分连接到亲水性或类似水的链上。当他们将这些分子加入油和水的混合物中时，它们自发地组装成微小的气泡或囊泡，疏水部分朝内。然后，他们使用界面聚合技术将这些囊泡扩散到连续的超薄片中，并将所有聚合物单元连接在一起以形成坚固的膜。

这种方法奏效了。利文斯顿和他的同事在最新一期的《科学》杂志上报道说，囊泡的疏水性核心允许选定的（基于大小和其他特征）碳氢化合物容易通过。这比以前的油分离膜快10倍。研究人员还表示，通过定制聚合物的化学组成，他们可以创建不同的膜，选择性地穿过不同大小的碳氢化合物。

从蒸馏转向膜分离可以节省高达50%的原油加热成本和75%的炼油用电成本，节省的成本以数十亿美元计。 

“这是一个非常令人兴奋的结果，”橡树岭国家实验室的分离专家David Sholl表示，不过这种新型膜尚未准备好用于工业用途。它们仍然需要从一张书写纸的大小扩大到数百平方米，并证明可以连续使用数月。但Sholl认为，这些令人鼓舞的发现将让石油公司继续探索一种既能省钱又能减少碳排放的技术。“所有化工公司都非常有兴趣尝试这样做，”