“白名單”——改進這七種化學分離技術將改變世界

材料牛注：現有的化學分離方法每年都耗費巨大的能源，為了實現節能減排，發展無熱分離技術是非常必要的。而哪些分離方法應是我們首要去解決的呢？最近，兩名研究者列出一份名單，表示改進這7種化學分離技術，將改變世界。

基于熱能的工業化學品分離方法，如蒸餾，如今已占據了世界年度能耗的10%~15%。為緩解全球能源緊缺的問題，需要加快步伐，改進技術以減少能源、塑料、食物及其他產品生產過程中的耗能。

4月26日，來自喬治亞理工學院的兩名研究者在Nature上發表了一篇評述文章，文中列出了7種需要作為研究低能量（純化）技術首要目標的能源密集型分離方法。實現低能純化，除了能降低能耗，改進混合物分離的技術之外，也能減少污染和CO₂的排放，并且也為我們獲取世界所需的重要資源開辟了新的途徑。

作者指出，適于分離過程的技術尚處于不同的發展階段。目前可供選擇的方法要么正處于研發中，要么就是成本昂貴不適合大規模生產，并且為了使這些方法能投入大規模使用，則需要在研究及發展中進行大量的投資。

文章的其中一名作者，喬治亞理工學院化學及生物分子工程學院的院長David Sholl說：“我們想強調世界能源中有多少是投入在化學分離中，并且指出哪些分離過程是能夠通過進一步擴大研究以取得突破性進展的。改進分離技術的好處也許大多數人都不太了解，但是這對能源及環境來說都是大為裨益的。”

在美國，利用無熱法來進行化學品的純化，單在石油、化學制品及紙品制造業上，每年就可減少40億美元的能源成本。同時每年還能潛在地減少1億噸的CO₂排放量。

文章的第二作者，喬治亞理工學院化學及生物分子工程學院的助理教授Ryan Lively指出：“化學分離幾乎消耗了美國工業能耗的一半，而若研究無熱分離方法來替代傳統分離方法，將在目前我們分離方法的基礎上將效率提高約80%。”

題為“改進七種化學分離以改變世界”的文章中羅列了以下七種分離過程，但未來遠不限于這些：

• 從原油中分離烴類。原油中分離出的烴類是制備燃料、塑料和聚合物的主要原料，也是世界消費經濟的關鍵。每天，全世界的煉油廠大約要利用常壓蒸餾法處理9千萬桶原油，每年則大約要耗能2300億瓦，這相當于英國2014年的全部能耗。蒸餾過程包括對原油進行加熱，并在蒸發至不同的沸點下獲取不同的混合物。然而找到能替代的無熱分離法是很困難的，因為原油化學成分非常復雜，必須要持續高溫以保持厚厚的油層滾動。
• 從海水從提取鈾。核能可以提供電力且不會增加碳排放，但是全球的鈾燃料儲備是有限的。并且，超過40億噸的鈾都存于海水中。從海水中提取鈾是非常復雜的，利用現有技術，在提取鈾的過程中往往也會摻雜進釩和鈷。從海水中提取鈾目前已經在小范圍內獲得實現，但是在實現大規模核能應用前，需要尋找更為合適的分離方法。
• 從烷烴中分離烯烴。一些特定的塑料合成需要烯烴-烷烴化合物，如乙烷和丙烯，這些塑料年產量超過2億噸。將乙烯從乙烷中分離，常需要在低溫下進行高壓蒸餾。將膜和蒸餾結合在一起的混合分離技術可以降低2到3倍的能耗。但是對于一個1百萬平方米的化工廠而言，則需要大體積的膜材料以實現大規模應用。
• 從稀薄的氣體排放中分離溫室氣體。CO₂及甲烷等烴類會影響全球氣候變化。在稀薄的氣體排放源如發電廠排放的廢氣中去除這些溫室氣體可以用液胺材料來實現，但是從這種材料中移除CO₂需要耗熱。因此，需要一種成本低廉的無熱方法去移除CO₂。
• 從礦石中分離稀土金屬。稀土元素可用于磁性材料、催化劑和高效發光材料。盡管這些材料并不是真的稀少，但是要獲得它們也是非常困難，因為它們在礦石中只是微量存在，必須經過復雜的機械及化學手段來實現分離。
• 苯及其衍生物的相互分離。苯及其衍生物對許多聚合物如塑料、纖維、溶劑及燃料添加劑等的生產是非常重要。這些分子如今是利用蒸餾塔來實現分離的，這種設備年均能耗約為500億瓦。因此，在膜及吸附劑上進行改進將顯著減少能耗。
• 從水中分離微量污染物。實現海水淡化對全球缺水地區是非常重要的，但是不管蒸餾過程使用何種膜，這個過程依然高耗能、高成本。因此，研發效率高且能抗污染的膜會顯著降低成本。

Sholl和Lively在文末總結中提出了供研究者和政府決策者參考以幫助擴大無熱分離技術推廣的四個步驟：

1.在研究上，根據化學混合物來思考工作條件

2.對任意分離技術都進行經濟性和持續性的評估。

3.考慮將技術應用于生產時所能達到的規模

4.進一步訓練化學工程師和化學家使用不需要蒸餾的分離技術

原文鏈接Researchers list 'seven chemical separations to change the world'

相關論文鏈接：Seven chemical separations to change the world

本文由編輯部尉谷雨提供素材，丁菲菲翻譯，薛文嘉審核。