膜技术可以减少炼油过程中的排放和能源使用

乔治亚理工学院、伦敦帝国理工学院和埃克森美孚的一组研究人员开发的新膜技术可以帮助减少与原油精炼相关的碳排放和能源强度。实验室测试表明，这种聚合物膜技术将来可以取代一些传统的热蒸馏工艺。

使用热蒸馏法分馏原油混合物是一项大规模的能源密集型过程，占世界能源使用量的近 1%：每年 1,100 太瓦时 (TWh/yr)，相当于总能源消耗量纽约州一年消耗的能源。通过用低能膜代替蒸馏过程中的某些步骤，新技术可能有朝一日允许实施混合精炼系统，与传统精炼工艺相比，该系统有助于显着减少碳排放和能源消耗。

“我们现代生活中的很多东西都来自石油，因此这些分子的分离使我们的现代文明成为可能，”乔治亚理工学院化学与生物化学学院教授兼主席 MG Finn 说。Finn 还担任 James A. Carlos 儿科技术家庭主席。“提供我们使用的产品所需的分离规模非常大。这种膜技术可能会对全球能源消耗和由此产生的石油加工排放产生重大影响。”

该论文将于 7 月 17 日发表在《科学》杂志上，据信是首次报道专门用于分离原油和原油馏分的合成膜。将需要额外的研究和开发来将该技术推进到工业规模。

膜技术已经广泛用于海水淡化等应用，但石油精炼的复杂性迄今为止限制了膜的使用。为了克服这一挑战，研究小组开发了一种新型螺环聚合物，该聚合物应用于坚固的基材，以制造能够通过施加压力而不是加热来分离复杂碳氢化合物混合物的膜。

膜根据大小和形状等差异将分子从混合物中分离出来。当分子的大小非常接近时，这种分离变得更具挑战性。使用众所周知的在氮和碳原子之间形成键的工艺，聚合物是通过连接具有扭结结构的结构单元来构建的，以产生具有内置空隙空间的无序材料。

该团队能够平衡各种因素，以创造正确的溶解度组合——使膜能够通过简单和可扩展的加工形成——以及结构刚性——使一些小分子比其他小分子更容易通过。出乎意料的是，研究人员发现这些材料需要少量的结构灵活性来提高尺寸辨别能力，以及对原油中大量发现的某些类型的分子有轻微“粘性”的能力。

在设计了新型聚合物并在合成汽油、喷气燃料和柴油燃料混合物方面取得了一些成功后，该团队决定尝试分离原油样品，并发现新膜在从石油中回收汽油和喷气燃料方面非常有效。复杂的混合物。

“我们最初试图分离过于相似的分子混合物，”埃克森美孚的高级研究助理、该论文的合著者之一 Ben McCool 说。“当我们采用更复杂的原料原油时，我们得到了看起来可能来自蒸馏塔的分馏，这表明了这个概念的巨大潜力。”

研究人员与佐治亚理工学院合作设计和测试聚合物，然后将其转化为 200 纳米厚的薄膜，并使用卷对卷工艺将其整合到 Imperial 的膜模块中。然后在所有三个组织中对样品进行测试，提供膜能力的多实验室确认。

“我们拥有将有机溶剂纳滤技术(一种广泛用于制药和化工行业的膜技术)推向市场的基础经验，”帝国理工学院化学工程教授 Andrew Livingston 说。“我们与埃克森美孚和乔治亚理工大学进行了广泛合作，以展示这项技术的可扩展性潜力，达到石油行业所需的水平。”

研究团队创建了一条创新管道，从基础研究一直延伸到可以在现实条件下测试的技术。

“我们将基础科学和化学、应用膜制造基础知识以及膜工作原理的工程分析结合在一起，”佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院副教授兼 John H. Woody 教授 Ryan Lively 说。“我们能够从毫克级粉末一直到商业形式的原型膜模块，这些原型受到真正原油的挑战——看到这条创新管道在行动真是太棒了。”

埃克森美孚与乔治亚理工学院的合作关系可以追溯到近 15 年，并在其他分离技术方面产生了创新，包括一种新的碳基分子筛膜，它可以显着降低分离一类称为烷基芳烃的烃分子所需的能量。

埃克森美孚研究与工程公司研发副总裁 Vijay Swarup 表示：“通过与乔治亚理工学院和帝国理工学院等强大学术机构的合作，我们一直致力于开发未来的低排放能源解决方案。