大多數工業化學家每天的工作都是將大量化學混合物中的成分分離成純淨或更純淨的形式。所涉及的過程，例如蒸餾，佔世界能源消耗的 10-15%。
如果應用於美國石油、化學和造紙製造業，更節能的化學物質淨化方法每年可節省 1 億噸二氧化碳排放量和 40 億美元的能源成本（參見“降低成本”）。其他方法將透過從海水中提取金屬等方式，使新的材料來源得以開發。
不幸的是，蒸餾的替代方法，例如根據分子的化學性質或大小分離分子，要麼尚未開發成熟，要麼擴大規模成本昂貴。工業界和學術界的工程師需要開發更好、更便宜的膜和其他不依賴熱量的化學混合物分離方法。
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在此，我們重點介紹七種化學分離過程，如果加以改進，將帶來巨大的全球效益。我們的清單並非詳盡無遺；幾乎所有商業化學品都來自可以改進的分離過程。
七種分離方法
原油中的碳氫化合物。 碳氫化合物是製造化石燃料、塑膠和聚合物的主要成分。世界各地的煉油廠每天處理約 9000 萬桶原油，大約相當於地球上每人 2 升。大多數煉油廠使用常壓蒸餾，全球每年消耗約 230 吉瓦 (GW) 的能量，相當於 2014 年英國的總能源消耗量，或德克薩斯州能源消耗量的一半左右。在典型的煉油廠中，每天在 50 米高的塔中加熱 200,000 桶原油，以根據其沸點釋放數千種化合物。輕質氣體在較冷的頂部（約 20 °C）逸出；較重的液體在較低和較熱的點（高達 400 °C）離開。
尋找蒸餾的替代方法非常困難，因為原油包含許多複雜的分子，其中一些分子具有高粘度，並且存在無數汙染物，包括硫化合物和金屬，如汞和鎳。原則上，根據分子的性質（如化學親和力或分子大小）分離碳氫化合物是可行的。基於膜的分離方法或其他非熱分離方法，其能源效率可能比使用蒸餾的熱驅動分離方法高出一個數量級。但在這方面的研究很少。
自然新聞，2016 年 4 月 26 日，doi:10.1038/532435a
來源：參考文獻 [1]/美國能源資訊署的資料
研究人員需要找到能夠同時分離多種分子族，並且能夠在保持重油流動所需的高溫下工作，而不會被汙染物堵塞的材料。
從海水中提取鈾。 核能對於未來低碳能源的生產至關重要。儘管核工業的發展軌跡尚不確定，但按照目前的消耗速度，已知的地質鈾儲量（450 萬噸）可能持續一個世紀。海水中存在超過 40 億噸的鈾，濃度為十億分之一。
幾十年來，科學家們一直在尋找從海水中分離鈾的方法。存在能夠捕獲鈾的材料，例如含有脒基肟基團的多孔聚合物。但是，這些分子“籠子”也會捕獲其他金屬，包括釩、鈷和鎳。
化學家需要開發在從海水中淨化和濃縮鈾的同時去除這些金屬的過程。在 1999-2001 年，日本團隊使用吸附織物捕獲了約 350 克鈾。啟動一個新的核電站需要數百噸鈾燃料，因此這些過程的規模需要大幅增加。特別是，需要努力降低吸附材料的成本。
類似的技術可以捕獲其他有價值的金屬，例如用於電池的鋰。海洋中溶解的鋰含量是已知陸地資源中的十倍；後者規模的限制可能會成為能源儲存的長期障礙。
從烷烴中提取烯烴。 製造聚乙烯和聚丙烯等塑膠需要烯烴，即乙烯和丙烯等碳氫化合物，也稱為烯烴。全球每年乙烯和丙烯的產量超過 2 億噸，約合地球上每人 30 公斤。工業上從乙烷中分離乙烯通常依賴於在低至 -160 °C 的溫度下進行高壓低溫蒸餾。僅丙烯和乙烯的純化就佔全球能源消耗的 0.3%，大致相當於新加坡的年度能源消耗。
與原油一樣，尋找不需要相變的分離系統可以將該過程的能量強度（每單位體積或重量產品的能源消耗量）降低十分之一，並抵消類似數量的碳排放。例如，正在開發多孔碳膜，可以在室溫和溫和壓力（小於 10 巴）下分離氣態烯烴和烷烴（也稱為鏈烷烴）。但是，這些膜還不能生產化學品製造所需的純度超過 99.9% 的烯烴。
在短期內，“混合”分離技術可能會有所幫助——膜可用於大批次分離，而低溫蒸餾可用於“拋光”產品。在膜變得足以完全取代蒸餾之前，這種方法可以將烯烴生產的能量強度降低 2 或 3 倍。一個主要的障礙是擴大膜的規模——工業可能需要高達 100 萬平方米的表面積。如此大規模的部署將需要新的製造方法以及材料效能的進步。
從稀釋排放物中捕獲溫室氣體。 人為排放的二氧化碳和其他碳氫化合物，例如煉油廠和油井釋放的甲烷，是全球氣候變化的主要貢獻者。從稀釋源（如發電廠、煉油廠尾氣和空氣）中捕獲這些氣體既昂貴又在技術上困難。
諸如單乙醇胺之類的液體很容易與二氧化碳反應，但是由於必須加熱才能從所得液體中去除二氧化碳，因此該工藝對於發電廠而言在經濟上不可行。如果將該方法應用於美國的每個發電站，則二氧化碳捕獲每年可能花費該國國內生產總值增長的 30%。需要開發以最低能源成本捕獲二氧化碳和碳氫化合物排放的更廉價的方法。
一個複雜因素是決定如何處理純化後的產品。二氧化碳可用於稱為提高石油採收率的原油生產方法，或用於垂直農業以及作為化學和生物精煉廠的原料。但是，人類活動排放了大量的氣體，因此實際上，其中大部分將需要長期儲存在地下儲層中，從而引發其他問題。
從礦石中提取稀土金屬。 15 種鑭系金屬，或稀土元素，用於磁體、可再生能源技術以及石油精煉中的催化劑。例如，緊湊型熒光燈使用銪和鋱，催化轉化器依賴於鈰。經濟地生產稀土是一個分離問題，而不是可用性問題。儘管名稱如此，但大多數元素的地球地殼含量遠高於金、銀、鉑和汞。不幸的是，稀土在礦石中以痕量存在，並且由於它們的化學性質相似，因此經常混合在一起。
從礦石中分離稀土需要機械方法（例如磁選和靜電分離）和化學處理（例如浮選）。這些方法效率低下：它們必須應對礦石的複雜成分，使用大量的化學品，併產生大量的廢物和放射性副產品。迫切需要改進。
從廢棄產品中回收稀土的做法正在增加。可以設計定製工藝，因為產品的化學和物理成分是明確的。人們已經探索了各種冶金和氣相萃取方法，但是回收的稀土尚未成為大多數供應鏈的一部分。需要進行研究以減少在其整個生命週期內含有稀土的關鍵物品的生態影響。
從彼此中分離苯衍生物。 許多聚合物、塑膠、纖維、溶劑和燃料新增劑的供應鏈都依賴於苯（一種環狀碳氫化合物）以及其衍生物，例如甲苯、乙苯和二甲苯異構體。這些分子在蒸餾塔中分離，全球總能源成本約為 50 吉瓦，足以為大約 4000 萬戶家庭供電。
二甲苯的異構體是彼此之間結構略有不同的分子，這導致了不同的化學性質。一種異構體，對二甲苯（或對二甲苯），最適合生產聚對苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和聚酯等聚合物；在美國，每年人均生產超過 8 公斤的對二甲苯。各種二甲苯異構體的相似尺寸和沸點使得難以透過蒸餾等傳統方法分離它們。
膜或吸附劑的進步可以降低這些過程的能量強度。與其他工業規模的化學過程一樣，實施用於分離苯衍生物的替代技術將需要證明其可行性，並在商業實施之前逐步擴大規模。建造化工廠可能耗資 10 億美元或更多，因此投資者希望確保技術在建造新基礎設施之前能夠發揮作用。
從水中去除痕量汙染物。 脫鹽——無論是透過蒸餾還是膜過濾——都是能源和資本密集型的，這使得它在許多幹旱地區不可行。蒸餾不是答案：熱力學定義了從海水中產生飲用水所需的最低能量，而蒸餾使用的能量是此基本限制的 50 倍。
反滲透過濾是一種跨膜對鹽水施加壓力以產生純水的工藝，僅比熱力學極限5多消耗 25% 的能量。但是，反滲透膜以有限的速率處理水，需要大型且昂貴的工廠才能產生足夠的流量。中東和澳大利亞已經在商業規模上進行海水反滲透。但是，處理汙染更嚴重的水的實際困難（包括腐蝕、生物膜形成、結垢和顆粒沉積）意味著還需要昂貴的預處理系統。
開發更高效且更能抵抗汙染的膜將降低脫鹽系統的運營和資本成本，從而使該技術即使對於高度汙染的水源也具有商業可行性。
後續步驟
學術研究人員和政策制定者應關注以下問題。
首先，研究人員和工程師必須考慮實際的化學混合物。大多數學術研究都側重於單一化學物質，並使用此資訊推斷混合物的行為。這種方法可能會遺漏僅在化學混合物中發生的現象，並忽略痕量汙染物的作用。學術界和工業研發領域的領導者應建立常見分離的代理混合物，其中包括主要化學成分和常見汙染物。
其次，任何分離技術的經濟性和可持續性都需要在整個化學過程的背景下進行評估。應使用諸如每公斤產品成本和每公斤能源消耗等效能指標。需要考慮諸如膜元件或吸附材料等元件的壽命和更換成本。
第三，在技術開發的早期必須認真考慮部署所需的規模。將需要諸如學術界和工業界運營的試驗檯之類的物理基礎設施，以將新技術從實驗室推廣到中試規模，從而可以降低任何感知到的風險。管理此過程將需要學術界、政府機構和行業合作伙伴進行合作。
第四，目前對化學工程師和化學家進行分離方面的培訓通常非常強調蒸餾。接觸其他操作（如吸附、結晶和膜分離）對於培養能夠實施未來將需要的全方位分離技術的工作隊伍至關重要。
本文經許可轉載，並於 2016 年 4 月 26 日首次發表。