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(chǎn)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(diǎn)差異實(shí)現(xiàn)組分分離所需的熱量。

近日，麻省理工學(xué)院（MIT）的工程師們開發(fā)出一種膜，可以根據(jù)分子大小過濾原油成分，這一進(jìn)展可能大幅降低原油分餾所需能量。相關(guān)研究發(fā)表在Science期刊，該研究部分經(jīng)費(fèi)由石油公司埃克森美孚通過 MIT 能源計(jì)劃資助。

MIT 化學(xué)工程系副教授、該研究的領(lǐng)導(dǎo)者 Zachary Smith 表示：“我們正在重新定義分離工藝——不再依賴沸點(diǎn)差異進(jìn)行純化，而是基于分子形狀和尺寸實(shí)現(xiàn)分離。關(guān)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(shù)優(yōu)勢。其一，能有效分離石油中的重質(zhì)和輕質(zhì)成分；其二，克服傳統(tǒng)油分離膜易發(fā)生的溶脹現(xiàn)象；其三，該膜采用現(xiàn)有成熟工藝制備薄膜，具備快速規(guī)模化應(yīng)用條件。

論文第一作者、現(xiàn)韓國成均館大學(xué)助理教授 Taehoon Lee（MIT前博士后）指出，該技術(shù)有望重塑價(jià)值數(shù)千億美元的石油精煉行業(yè)格局。據(jù)估算，若全面替代傳統(tǒng)熱分餾工藝，全球煉油行業(yè)年減排量可達(dá)數(shù)億噸級。

原油分餾技術(shù)革新

傳統(tǒng)熱驅(qū)動原油分餾過程約占全球能源消耗量的 1%。據(jù)估計(jì)，使用膜分離原油可將能源需求降低約 90%。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，分離膜需滿足兩大核心要求：一是允許碳?xì)浠衔锟焖偻ㄟ^，二是能按分子尺寸實(shí)現(xiàn)選擇性篩分

此前，開發(fā)碳?xì)浠衔镞^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?xì)浠衔锟焖賯鬏敚珪^度吸收部分通過膜的有機(jī)化合物，導(dǎo)致薄膜膨脹，損害其尺寸篩分能力。

為尋求更佳方案，MIT 團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地改造了反滲透海水淡化膜材料。自 20 世紀(jì) 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(yè)領(lǐng)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(jī)相中的疏水單體 TMC 在界面處通過酰胺鍵反應(yīng)形成超薄聚酰胺膜。然而，傳統(tǒng) 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?xì)浠衔锓蛛x。

研究團(tuán)隊(duì)通過三大創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破。化學(xué)鍵改造：將連接單體的酰胺鍵替換為剛性更強(qiáng)的亞胺鍵，顯著提升疏水性和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；交聯(lián)化學(xué)：引入交聯(lián)結(jié)構(gòu)使材料在碳?xì)浠衔锃h(huán)境中保持孔隙穩(wěn)定；分子篩設(shè)計(jì)：添加具有形狀持久性的三蝶烯單體，精確調(diào)控孔徑尺寸。

Smith 指出：“聚亞胺材料在界面處形成孔隙結(jié)構(gòu)，由于引入的交聯(lián)化學(xué)結(jié)構(gòu)，材料不再溶脹。即使在碳?xì)浠衔锃h(huán)境中，這些孔隙也不會像其他材料那樣發(fā)生膨脹。”

未參與此研究的倫敦瑪麗女王大學(xué)化學(xué)工程教授 Andrew Livingston 評價(jià)稱，該方法代表著向降低工業(yè)能耗邁出重要一步。“這項(xiàng)研究將膜脫鹽行業(yè)的界面聚合技術(shù)創(chuàng)造性應(yīng)用于碳?xì)浠衔镌戏蛛x——當(dāng)前全球能源消耗的重要領(lǐng)域。通過界面催化劑與疏水單體的巧妙結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了兼具高滲透率和優(yōu)異選擇性的新型膜材料。”

高效分離性能驗(yàn)證

研究人員采用甲苯和三異丙基苯（TIPB）混合物作為基準(zhǔn)測試體系時(shí)，新型膜材料可使甲苯濃度達(dá)到原始混合物的 20 倍。在更具工業(yè)意義的石腦油-煤油-柴油混合體系測試中，該膜同樣展現(xiàn)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(yīng)用于工業(yè)場景，可通過串聯(lián)多組過濾膜逐步提高目標(biāo)產(chǎn)物濃度。

Smith 設(shè)想：“這種膜可取代原油分餾塔的初始階段，先實(shí)現(xiàn)輕重分子初步分離，再通過級聯(lián)膜系統(tǒng)從復(fù)雜混合物中精準(zhǔn)提純所需化學(xué)品。”

由于界面聚合法已廣泛用于制造海水淡化膜，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為可通過調(diào)整工藝實(shí)現(xiàn)新型薄膜的大規(guī)模生產(chǎn)。

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(guān)化學(xué)工藝應(yīng)用于現(xiàn)有生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。”

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