目前，全球 6% 的二氧化碳排放來自原油分餾過程，這一將原油分離為汽油、柴油和取暖油等產品的工藝需要消耗巨大能量，其中大部分能量用于通過沸點差異實現組分分離所需的熱量。

近日，麻省理工學院（MIT）的工程師們開發出一種膜，可以根據分子大小過濾原油成分，這一進展可能大幅降低原油分餾所需能量。相關研究發表在Science期刊，該研究部分經費由石油公司埃克森美孚通過 MIT 能源計劃資助。

MIT 化學工程系副教授、該研究的領導者 Zachary Smith 表示：“我們正在重新定義分離工藝——不再依賴沸點差異進行純化，而是基于分子形狀和尺寸實現分離。關鍵突破在于這種濾膜能在原子尺度精確篩分微小分子。”

這種新型過濾膜有三大技術優勢。其一，能有效分離石油中的重質和輕質成分；其二，克服傳統油分離膜易發生的溶脹現象；其三，該膜采用現有成熟工藝制備薄膜，具備快速規模化應用條件。

論文第一作者、現韓國成均館大學助理教授 Taehoon Lee（MIT前博士后）指出，該技術有望重塑價值數千億美元的石油精煉行業格局。據估算，若全面替代傳統熱分餾工藝，全球煉油行業年減排量可達數億噸級。

原油分餾技術革新

傳統熱驅動原油分餾過程約占全球能源消耗量的 1%。據估計，使用膜分離原油可將能源需求降低約 90%。要實現這一目標，分離膜需滿足兩大核心要求：一是允許碳氫化合物快速通過，二是能按分子尺寸實現選擇性篩分

此前，開發碳氫化合物過濾膜的研究主要聚焦于固有微孔聚合物（PIMs），尤其是 PIM-1 材料。盡管這種多孔材料可使碳氫化合物快速傳輸，但會過度吸收部分通過膜的有機化合物，導致薄膜膨脹，損害其尺寸篩分能力。

為尋求更佳方案，MIT 團隊創新性地改造了反滲透海水淡化膜材料。自 20 世紀 70 年代問世以來，反滲透膜已將海水淡化能耗降低約 90%，堪稱工業領域的成功典范。

最常用的反滲透膜是通過界面聚合法制備的聚酰胺薄膜（MPD-TMC）：水相中的親水單體 MPD 與正己烷有機相中的疏水單體 TMC 在界面處通過酰胺鍵反應形成超薄聚酰胺膜。然而，傳統 MPD-TMC 膜既不具備合適孔徑，也缺乏抗溶脹特性，無法直接用于碳氫化合物分離。

研究團隊通過三大創新實現技術突破。化學鍵改造：將連接單體的酰胺鍵替換為剛性更強的亞胺鍵，顯著提升疏水性和結構穩定性；交聯化學：引入交聯結構使材料在碳氫化合物環境中保持孔隙穩定；分子篩設計：添加具有形狀持久性的三蝶烯單體，精確調控孔徑尺寸。

Smith 指出：“聚亞胺材料在界面處形成孔隙結構，由于引入的交聯化學結構，材料不再溶脹。即使在碳氫化合物環境中，這些孔隙也不會像其他材料那樣發生膨脹。”

未參與此研究的倫敦瑪麗女王大學化學工程教授 Andrew Livingston 評價稱，該方法代表著向降低工業能耗邁出重要一步。“這項研究將膜脫鹽行業的界面聚合技術創造性應用于碳氫化合物原料分離——當前全球能源消耗的重要領域。通過界面催化劑與疏水單體的巧妙結合，實現了兼具高滲透率和優異選擇性的新型膜材料。”

高效分離性能驗證

研究人員采用甲苯和三異丙基苯（TIPB）混合物作為基準測試體系時，新型膜材料可使甲苯濃度達到原始混合物的 20 倍。在更具工業意義的石腦油-煤油-柴油混合體系測試中，該膜同樣展現出基于分子尺寸的高效輕重組分分離能力。

研究人員表示，若應用于工業場景，可通過串聯多組過濾膜逐步提高目標產物濃度。

Smith 設想：“這種膜可取代原油分餾塔的初始階段，先實現輕重分子初步分離，再通過級聯膜系統從復雜混合物中精準提純所需化學品。”

由于界面聚合法已廣泛用于制造海水淡化膜，研究團隊認為可通過調整工藝實現新型薄膜的大規模生產。

Taehoon Lee 表示：“界面聚合是成熟的水凈化膜制備方法，完全可將相關化學工藝應用于現有生產線實現規模化生產。”

https://news.mit.edu/2025/new-approach-could-fractionate-crude-oil-using-less-energy-0522