国际研究团队由韩国科学技术院（KAIST）的高东渊（Dong-Yeun Koh）教授领导，并与佐治亚理工学院的瑞安·利夫利（Ryan Lively）教授研究小组合作，成功展示了一种能够在室温下分离原油的膜技术。相关研究成果已于世界顶级科学期刊《Nature》上发表。
原油不仅是汽油和其他交通燃料的核心，更是制造塑料、包装材料、衣物及众多日常用品的基础原材料。由于提炼成本直接影响这些材料的市场价格，因此提高精炼过程的效率将带来广泛的经济和环境效益。
传统原油炼制为何消耗如此巨大的能量？
一个多世纪以来，石油炼厂一直严重依赖蒸馏技术将原油分离为有用的组分。该过程需要将原油加热到350°C以上的温度，使部分组分汽化，然后冷却这些蒸气以收集不同的馏分。
这种方法需要消耗巨大的能量。在全球范围内，原油蒸馏每年消耗约1100太瓦时（TWh）的电能，这相当于大约130座持续运行的1吉瓦核电站一年的总发电量。
巨大的能源需求使蒸馏成为炼油行业中燃料消耗和温室气体排放的主要来源。与此同时，全球石化市场日益增长的经济压力，促使业界对能够更高效分离原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，因为它们能够在无需传统蒸馏所需极高温度的情况下实现物质分离。然而，以往的设计面临着巨大的技术障碍。
传统上，研究人员认为高效的分子分离需要覆盖有极薄特殊涂层的膜。尽管这些涂层能提供所需的精确度，但其生产成本高昂，且在大规模制造时容易出现缺陷，这些局限性使得该技术难以在工业界广泛采用。
一项将“堵塞”化为优势的惊人发现
KAIST和佐治亚理工学院的研究人员采取了截然不同的方法。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。PAN是一种廉价且化学性质稳定的聚合物，已经广泛用作工业过滤系统中的支撑材料。
然而，当原油流经该膜时，发生了意想不到的情况。
随着原油流过其孔隙，较重的碳氢化合物分子在内壁逐渐积聚。这种积聚逐渐缩小了孔径，产生了尺寸小于2纳米的极窄通道。
实际上，原油自身帮助构建了分离其各组分所需的微观路径。
这些自然形成的通道允许较轻的石油馏分（包括石脑油、汽油和煤油）快速通过，同时阻止较重的物质轻易穿透滤膜。
这一发现格外令人惊奇，因为膜孔内部物质的积聚通常被称为“污染（fouling）”，在常规过滤中被视为严重的负面问题。污染通常会降低过滤性能并需要清洗或更换滤膜。然而在本研究中，正是这一现象使该膜在分离不同分子方面表现出极高的效率。
实验结果令人瞩目。未经涂层的PAN膜实现了原油渗透率，约为此前领先原油分离膜报道值的23倍，并连续28天保持了稳定的运行性能。
佐治亚理工学院的瑞安·利夫利教授评论道：“原油分离膜系统面临的关键挑战之一是膜单元的产率较低——而具有惊人分离机制的PAN膜，极大地提高了膜单元的产率，达到了工业界应当认真考虑采用该技术的程度。”
新型滤膜有望将炼油能耗降低近三分之一
该技术最大的优势之一在于，炼厂无需为了使用它而更换现有的绝大部分设备。
相反，该滤膜可以作为模块化过滤系统安装在原油进入传统蒸馏设备之前。这将减少加热和分离阶段所需的工作量，同时允许设施继续利用其大部分现有基础设施。
计算机模拟表明，将该滤膜整合到精炼过程中可以带来显着的改善。能源消耗有望下降31.6%，二氧化碳排放量可减少37.6%。相同的计算预测冷却水消耗量可减少20.7%，运营成本可降低36%。
如果该技术得到广泛应用，潜在的环境效益将相当可观。
研究人员估计，在韩国的炼油和石化行业全面实施该系统，每年可减少约1000万吨温室气体排放，这大致相当于4百万辆内燃机汽车一年的碳排放量。
这些节能数据是基于过程模拟的预测，而非已在运营炼厂中验证的实际减幅。尽管如此，这些研究结果表明，膜过滤有望成为提高现有设施运行效率的切实可行的方法。
超越原油炼制的应用前景
尽管原油分离是该研究的核心焦点，但这项技术最终也可应用于其他几个工业领域。
潜在应用之一涉及处理废塑料分解回收时产生的热解油。这些膜还可以帮助回收电池制造中使用的溶剂、纯化药物化合物以及改进生物燃料的生产。
更广泛的机遇在于利用复杂的液体混合物来协助形成分离其组分所需的微小过滤通道。这种方法可以为需要精密制造表面涂层的传统膜提供一种更经济、更多元化的替代方案。
KAIST的高东渊教授表示：“这项研究揭示了一种新的科学原理，即膜与复杂混合物相互作用并自发形成其自身的离通道。使用来自HD现代炼油（HD Hyundai Oilbank）的真实原油，使我们能够在符合工业运行的条件下验证这项技术。”
使用实际原油是该研究的重要组成部分，因为它使研究团队能够检验膜在工业原料中复杂的碳氢化合物混合物面前的实际表现。
在该技术得到更广泛部署之前，研究人员计划改进更大规模的膜生产，并确立其在长期运行中的可靠性。
该研究的共同通讯作者、KAIST的李宰宇（Jae W. Lee）教授补充道：“通过推进大面积膜的模块化和长期运行可靠性，我们希望在整个炼油和石化行业中更广泛地推广基于膜的过程。”
该研究的共同第一作者、KAIST的崔智勋（Jihoon Choi）博士和徐赫俊（Hyeokjun Seo）博士表示：“我们的目标是精确控制这种自发性孔隙收缩现象，并将其发展成为适用于整个炼油过程的膜平台。我们还旨在将该技术扩展至塑料回收、生物燃料纯化以及支持碳中和的其他可持续化学过程。”
该研究得到了韩国科学技术信息部（Ministry of Science and ICT）通过杰出青年研究人员基础研究项目和工程研究中心（ERC）项目的资助。