新的膜技术可以减少与炼油相关的碳排放量和能源强度。佐治亚理工学院副教授Ryan Lively展示了一个包含新膜材料的模块，而MG Finn教授则保存了包含本研究中使用的其他一些聚合物的小瓶。(图片来源：佐治亚理工学院的克里斯托弗·摩尔)
由佐治亚理工学院，伦敦帝国理工学院和埃克森美孚公司的研究人员开发的新膜技术可以帮助减少与精炼原油相关的碳排放和能源强度。实验室测试表明，这种聚合物膜技术可以在将来代替某些传统的基于热的蒸馏工艺。
使用基于热的蒸馏来分馏原油混合物是一种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太瓦小时(TWh /年)，相当于总能耗纽约州一年内消耗的能源。通过将低能膜替换为蒸馏过程中的某些步骤，这项新技术可能有一天可以实现一种混合精制系统，与传统的精制方法相比，该系统可以帮助减少碳排放量和能源消耗。
佐治亚理工学院化学与生物化学学院教授兼主席MG Finn表示：“我们现代生活中的大部分来自石油，因此这些分子的分离使我们的现代文明成为可能。” Finn还担任James A. Carlos儿童技术家庭主席。“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以及由此产生的石油加工排放产生重大影响。”
该论文被发表在7月17日的《科学》杂志上，该论文被认为是专门设计用于分离原油和原油馏分的合成膜的第一份报告。为了使该技术达到工业规模，还需要进行更多的研究和开发。
膜技术已被广泛用于海水淡化等应用中，但迄今为止，石油精制的复杂性限制了膜的使用。为了克服这一挑战，研究团队开发了一种新型螺环聚合物，该聚合物被应用于坚固的基材上，从而形成能够通过施加压力而非加热来分离复杂烃混合物的膜。
膜根据大小和形状等差异从混合物中分离分子。当分子的尺寸非常接近时，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方法，通过连接具有扭结结构的结构单元以产生具有内置空隙的无序材料来构建聚合物。
该团队能够权衡各种因素，以创建正确的溶解度组合-使膜可以通过简单且可扩展的加工过程形成-并具有结构刚性-使某些小分子比其他分子更容易通过。出乎意料的是，研究人员发现，这些材料需要少量的结构柔性来改善尺寸辨别力，并且需要对原油中大量发现的某些类型的分子略有“粘性”。
在设计了新型聚合物并在合成汽油，喷气燃料和柴油混合物中取得了一些成功之后，研究小组决定尝试分离原油样品，并发现新的膜在从汽油中回收汽油和喷气燃料方面非常有效。复杂的混合物。
埃克森美孚(ExxonMobil)资深研究助理，论文的合著者之一本·麦库尔(Ben McCool)说：“我们最初试图分离出太相似的分子混合物。” “当我们采用更复杂的原料原油时，我们似乎可以通过蒸馏塔进行分馏，这表明该概念的巨大潜力。”
研究人员共同合作，使用了在乔治亚理工大学设计和测试的聚合物，然后将其转换为200纳米厚的薄膜，并采用卷对卷工艺将其并入Imperial的膜组件中。然后，在所有三个组织中对样品进行了测试，从而提供了多实验室对膜功能的确认。
帝国理工化学工程学教授安德鲁·利文斯顿(Andrew Livingston)表示：“我们具有将有机溶剂纳米过滤(一种膜技术广泛应用于制药和化工行业)推向市场的基础经验。” “我们与埃克森美孚(ExxonMobil)和佐治亚理工学院(Georgia Tech)进行了广泛的合作，以证明该技术可扩展到石油工业所需水平的潜力。”
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实际条件下进行测试的技术。
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研究员Ryan Lively说：“我们将基础科学和化学，应用的膜制造基础知识以及膜工作原理的工程分析结合在一起。” “我们能够从毫克级粉末一直到以商业形状因数而受到真正原油挑战的膜组件原型-看到这种创新管道的运转真是太棒了。”
埃克森美孚与佐治亚理工学院的关系已有近15年的历史，并在其他分离技术方面进行了创新，包括一种新型的基于碳的分子筛膜，该膜可大大降低分离一类称为烷基芳烃的烃类分子所需的能量。
埃克森美孚研究与工程公司研发副总裁Vijay Swarup表示：“通过与乔治亚理工大学和帝国理工等强大的学术机构合作，我们一直在努力开发未来的低排放能源解决方案。”
除了Finn，Livingston，Lively和McCool外，该论文的作者还包括佐治亚理工学院的研究生Kirstie Thompson和Ronita Mathias，他们是第一作者。Daeok Kim，Jihoon Kim，Irene Bechis，Andrew Tarzia和Imperial的Kim Jelfs;以及Nex Rangnekar，JR Johnson和埃克森美孚的Scott Hoy。