“白名单”——改进这七种化学分离技术将改变世界

材料牛注：现有的化学分离方法每年都耗费巨大的能源，为了实现节能减排，发展无热分离技术是非常必要的。而哪些分离方法应是我们首要去解决的呢？最近，两名研究者列出一份名单，表示改进这7种化学分离技术，将改变世界。

基于热能的工业化学品分离方法，如蒸馏，如今已占据了世界年度能耗的10%~15%。为缓解全球能源紧缺的问题，需要加快步伐，改进技术以减少能源、塑料、食物及其他产品生产过程中的耗能。

4月26日，来自乔治亚理工学院的两名研究者在Nature上发表了一篇评述文章，文中列出了7种需要作为研究低能量（纯化）技术首要目标的能源密集型分离方法。实现低能纯化，除了能降低能耗，改进混合物分离的技术之外，也能减少污染和CO₂的排放，并且也为我们获取世界所需的重要资源开辟了新的途径。

作者指出，适于分离过程的技术尚处于不同的发展阶段。目前可供选择的方法要么正处于研发中，要么就是成本昂贵不适合大规模生产，并且为了使这些方法能投入大规模使用，则需要在研究及发展中进行大量的投资。

文章的其中一名作者，乔治亚理工学院化学及生物分子工程学院的院长David Sholl说：“我们想强调世界能源中有多少是投入在化学分离中，并且指出哪些分离过程是能够通过进一步扩大研究以取得突破性进展的。改进分离技术的好处也许大多数人都不太了解，但是这对能源及环境来说都是大为裨益的。”

在美国，利用无热法来进行化学品的纯化，单在石油、化学制品及纸品制造业上，每年就可减少40亿美元的能源成本。同时每年还能潜在地减少1亿吨的CO₂排放量。

文章的第二作者，乔治亚理工学院化学及生物分子工程学院的助理教授Ryan Lively指出：“化学分离几乎消耗了美国工业能耗的一半，而若研究无热分离方法来替代传统分离方法，将在目前我们分离方法的基础上将效率提高约80%。”

题为“改进七种化学分离以改变世界”的文章中罗列了以下七种分离过程，但未来远不限于这些：

• 从原油中分离烃类。原油中分离出的烃类是制备燃料、塑料和聚合物的主要原料，也是世界消费经济的关键。每天，全世界的炼油厂大约要利用常压蒸馏法处理9千万桶原油，每年则大约要耗能2300亿瓦，这相当于英国2014年的全部能耗。蒸馏过程包括对原油进行加热，并在蒸发至不同的沸点下获取不同的混合物。然而找到能替代的无热分离法是很困难的，因为原油化学成分非常复杂，必须要持续高温以保持厚厚的油层滚动。
• 从海水从提取铀。核能可以提供电力且不会增加碳排放，但是全球的铀燃料储备是有限的。并且，超过40亿吨的铀都存于海水中。从海水中提取铀是非常复杂的，利用现有技术，在提取铀的过程中往往也会掺杂进钒和钴。从海水中提取铀目前已经在小范围内获得实现，但是在实现大规模核能应用前，需要寻找更为合适的分离方法。
• 从烷烃中分离烯烃。一些特定的塑料合成需要烯烃-烷烃化合物，如乙烷和丙烯，这些塑料年产量超过2亿吨。将乙烯从乙烷中分离，常需要在低温下进行高压蒸馏。将膜和蒸馏结合在一起的混合分离技术可以降低2到3倍的能耗。但是对于一个1百万平方米的化工厂而言，则需要大体积的膜材料以实现大规模应用。
• 从稀薄的气体排放中分离温室气体。CO₂及甲烷等烃类会影响全球气候变化。在稀薄的气体排放源如发电厂排放的废气中去除这些温室气体可以用液胺材料来实现，但是从这种材料中移除CO₂需要耗热。因此，需要一种成本低廉的无热方法去移除CO₂。
• 从矿石中分离稀土金属。稀土元素可用于磁性材料、催化剂和高效发光材料。尽管这些材料并不是真的稀少，但是要获得它们也是非常困难，因为它们在矿石中只是微量存在，必须经过复杂的机械及化学手段来实现分离。
• 苯及其衍生物的相互分离。苯及其衍生物对许多聚合物如塑料、纤维、溶剂及燃料添加剂等的生产是非常重要。这些分子如今是利用蒸馏塔来实现分离的，这种设备年均能耗约为500亿瓦。因此，在膜及吸附剂上进行改进将显著减少能耗。
• 从水中分离微量污染物。实现海水淡化对全球缺水地区是非常重要的，但是不管蒸馏过程使用何种膜，这个过程依然高耗能、高成本。因此，研发效率高且能抗污染的膜会显著降低成本。

Sholl和Lively在文末总结中提出了供研究者和政府决策者参考以帮助扩大无热分离技术推广的四个步骤：

1.在研究上，根据化学混合物来思考工作条件

2.对任意分离技术都进行经济性和持续性的评估。

3.考虑将技术应用于生产时所能达到的规模

4.进一步训练化学工程师和化学家使用不需要蒸馏的分离技术

原文链接Researchers list 'seven chemical separations to change the world'

相关论文链接：Seven chemical separations to change the world

本文由编辑部尉谷雨提供素材，丁菲菲翻译，薛文嘉审核。