工程師們開發了一種新的化學物質分離方法，可以大大減少生產燃料或合成聚合物所需的能量。
該工藝可以將分離階段所需的能量減半，每年為美國節省 20 億美元的能源成本，並減少全球 4500 萬噸的二氧化碳排放量。
研究人員設計了一種膜，可以區分非常相似的分子，並且可以在會導致現有膜破裂的條件下生存，從而開闢了一整套新的應用。 他們上週在《科學》雜誌上發表了他們的研究結果。
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共同作者、埃克森美孚公司的高階研究助理本傑明·麥庫爾解釋說，分離化學物質是一個長期存在的工業問題，全球 10% 以上的能源需求用於這些過程，例如從海水中去除鹽分。
生產清潔水、燃料和工業化學品所用能源的 40% 到 60% 用於分離。
在這種情況下，研究人員研究了分離一類稱為二甲苯的有機化合物。
麥庫爾說：“這是我們自 20 世紀 90 年代以來一直在埃克森美孚公司研究的分離技術。”
二甲苯是聚酯等材料的前體，也是重要的工業溶劑。 然而，它們有多種變體，這些變體使用相同的原子成分，但以不同的方式連線它們。 這意味著它們具有重疊的特徵，例如質量和沸點，因此傳統的蒸餾等分離技術效果不佳，而其他技術則需要大量能量才能區分這些非常相似的分子。
“我們談論的是非常非常小的尺寸差異，”麥庫爾說。“它們的尺寸差異為十分之一奈米。”
研究人員決定提出一種在室溫下工作的方法，以降低其能源需求，並從現成的元件構建它，以降低其成本。
這個過程稱為反滲透，是許多海水淡化廠用來從海洋中生產飲用水的相同技術。 這些工廠使用膜來允許水透過，並阻止鹽在壓力施加到一側時透過。
但是這些膜是由有機聚合物製成的，因此如果它們在有機溶液中使用，它們會溶解或膨脹。 並且分離有機化合物需要比海水淡化更高的壓力。
麥庫爾說：“如今的海水淡化膜在分離二甲苯方面化學穩定性不足。” “這種膜必須更堅固。”
相反，研究人員使用合成碳膜作為分子篩。
共同作者、佐治亞理工學院化學與生物分子工程助理教授瑞安·萊夫利說：“我們製造膜的方法是我們從市售聚合物開始，因為我們希望看到商業化的前景。”
然後，該團隊將聚合物紡成空心纖維，將它們化學交聯在一起，然後熱解該材料以建立碳纖維膜。
萊夫利說：“熱解莖會影響孔壁的接近程度。” 可以改變這一點來調整膜以在不同的應用中使用。
當大規模部署時，使用該膜分離有機化學物質可以大大縮小製造燃料或塑膠的碳足跡。 萊夫利說：“我們正在看到能源強度降低 10 到 20 倍。”
不過，目前研究人員仍處於實驗室階段，他們正在尋求擴大膜的規模並在不同的應用中進行測試。
萊夫利說：“我們正在考慮水和製藥生產中的艱鉅挑戰。” “我們認為膜有很好的機會。”
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