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研究人员开发出一种令人惊讶的简单方法，无需加热即可分离原油，这有望彻底改变全球能耗最高的工业流程之一。这项突破性成果利用了一种廉价的膜，不仅能显著降低石油精炼所需的能源，还能降低运营成本和碳排放。
这项国际合作研究由韩国科学技术院（简称KAIST）的 Koh Dong-Yeun 教授牵头，并与佐治亚理工学院的 Ryan Lively 教授研究团队合作完成。KAIST（校长李光亨）宣布，该团队已成功验证了一种能在室温下分离原油的膜。该研究成果发表在世界顶尖科学期刊之一《自然》（Nature）上。
原油的重要性远不止于汽油和其他交通燃料。它还为制造塑料、包装材料、服装以及众多日常用品提供了原材料。由于炼油成本会影响这些材料的价格，提高炼油效率将带来广泛的经济和环境效益。
为何传统原油炼制需要消耗如此多的能源
一个多世纪以来，炼油厂一直高度依赖蒸馏工艺将原油分离成有用的组分。该过程包括将原油加热至350 °C以上，使其部分转化为蒸汽，然后冷却这些蒸汽以收集不同的馏分。
这种方法需要消耗巨大的能量。全球范围内，原油蒸馏每年消耗约1,100太瓦时（TWh）的能源。这相当于约130座持续运行的核电站的年发电量总和，每座核电站的装机容量约为1千兆瓦。
巨大的能源需求使得蒸馏成为炼油行业燃料消耗和温室气体排放的主要来源。与此同时，全球石化市场日益加剧的经济压力，促使业界对能够更高效分离石油的技术产生了浓厚兴趣。
膜技术已成为一种极具前景的替代方案，因为它无需像传统蒸馏那样使用极端温度即可实现物质分离。然而，以往的设计曾面临重大障碍。
传统上，研究人员认为，要实现有效的分子分离，膜表面必须覆盖一层极其薄的专用涂层。尽管这些涂层能够提供必要的精度，但其生产成本高昂，且在规模化生产时容易出现缺陷。这些限制使得该技术难以在工业领域得到广泛应用。
化劣势为优势
韩国科学技术院（KAIST）和佐治亚理工学院的研究人员采取了不同的解决方法。他们没有添加复杂的涂层，而是使用了一种由多孔聚丙烯腈（PAN）制成的裸膜——这是一种廉价且化学性质稳定的聚合物，目前已广泛用作工业过滤系统的支撑材料。
当原油流经该膜时，发生的情况出人意料。
随着原油流经膜孔，较重的烃分子沿内壁积聚。这种积聚逐渐缩小了孔隙的尺寸，形成了横截面小于2纳米的极窄通道。
实际上，原油本身帮助形成了分离其组分所需的微观通道。
这些天然形成的通道使较轻的油类组分（包括石脑油、汽油和煤油）能够快速通过，同时阻止较重的物质轻易穿过膜。
这一发现尤其令人惊讶，因为膜孔内物质的积聚（即“污堵”）通常被视为一个严重问题。污堵通常会降低过滤性能，并需要进行清洗或更换。然而，在此情况下，正是这一现象使该膜在分离不同分子方面表现出了极高的效率。
实验结果令人印象深刻。这种未涂层的PAN膜所达到的原油渗透率，约为此前报道的领先原油分离膜的23倍。此外，它还能连续28天保持稳定的运行性能。
瑞安·利夫利（Ryan Lively）教授（佐治亚理工学院）评论道：“原油分离膜系统面临的关键挑战之一是膜单元产量低——而具有这种令人惊讶的分离机制的PAN膜，极大地提高了膜单元的产量，甚至到了行业应认真考虑采用该技术的程度。”
新型膜技术有望将石油炼制能耗降低近三分之一
该技术的一大优势在于，炼油厂无需更换现有设备即可应用该技术。
该膜可作为模块化过滤系统安装，在原油进入传统蒸馏设备前对其进行处理。这将减少加热和分离阶段所需的工作量，同时使炼油厂能够继续使用大部分现有基础设施。
计算机模拟表明，将该膜技术融入炼油工艺可带来显著改善。能耗有望降低31.6%，二氧化碳排放量可减少37.6%。同一套计算模型还预测，冷却水消耗量将减少20.7%，运营成本将降低36%。
如果该技术得到广泛应用，其潜在的环境效益可能会非常可观。
研究人员估计，若在韩国整个炼油和石化行业推广该系统，每年可减少约1000万吨温室气体排放。这大致相当于400万辆内燃机汽车的年排放量。
这些减排数据是基于工艺模拟得出的预测，而非已在运营中的炼油厂中实际验证的减排效果。尽管如此，研究结果表明，膜过滤技术有望成为提高现有设施效率的一种切实可行的方法。
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