七种化学分离改变世界

大多数工业化学家每天都在把大量化学混合物的成分分离成纯的或更纯的形式。所涉及的过程，如蒸馏，占世界能源消耗的10-15%^1，2．

如果将更节能的化学提纯方法应用于美国的石油、化工和造纸行业，每年可减少1亿吨二氧化碳排放和40亿美元的能源成本^3.(见“削减成本”)。其他方法可以开发新的材料来源，例如从海水中提取金属。

不幸的是，蒸馏的替代品，如根据分子的化学性质或大小来分离分子，还不发达，扩大规模也很昂贵。工业界和学术界的工程师需要开发出更好、更便宜的膜和其他方法来分离不依赖于热的化学混合物。

在这里，我们强调七种化学分离工艺，如果得到改进，将获得巨大的全球效益。我们的清单并不详尽;几乎所有的商业化学品都来自一个可以改进的分离过程。

七个分离

原油中的碳氢化合物。制造化石燃料、塑料和聚合物的主要成分是碳氢化合物。每天，世界各地的炼油厂加工约9000万桶原油——大约相当于地球上每人2升原油。大多数使用常压蒸馏，全球消耗约230吉瓦(GW)^3.相当于英国2014年的能源消耗总量，约为德克萨斯州的一半。在一个典型的炼油厂，每天有20万桶原油在50米高的柱中加热，根据沸点释放出数千种化合物。轻气体出现在较冷的顶部(约20°C);越来越重的流体在较低和较热的点(高达400°C)离开。

找到一种蒸馏的替代品是困难的，因为原油含有许多复杂的分子，其中一些具有高粘度，以及无数的污染物，包括硫化合物和汞、镍等金属。根据碳氢化合物的分子性质(如化学亲和性或分子大小)来分离在原则上是可行的。基于膜的分离方法，或其他非热分离方法，可以比使用蒸馏的热驱动分离的能源效率高一个数量级。但这方面的研究很少。

研究人员需要找到能够同时分离多个分子家族的材料，并且能够在高温下工作，以保持重油流动而不被污染物阻塞。

海水中的铀。核能将是未来低碳能源生产的关键。虽然核工业的发展轨迹是不确定的，但按照目前的消耗速度，已知的铀地质储量(450万吨)可以维持一个世纪⁴．海水中存在超过40亿吨的铀，含量为十亿分之一。

科学家们已经找到了从海水中分离铀的方法⁴几十年了。有一些材料能够捕获铀，例如含有偕胺肟基团的多孔聚合物。但这些分子“笼子”也能捕获其他金属，包括钒、钴和镍。

化学家们需要开发出去除这些金属的工艺，同时从海水中提纯和浓缩铀。在1999年至2001年期间，日本研究小组使用吸附剂织物捕获了大约350克铀⁴．新建一座核电站需要数百吨铀燃料，因此这些过程的规模需要大大增加。特别是，需要努力降低吸附材料的成本。

类似的技术可以捕获其他有价值的金属⁴例如用于电池的锂。海洋中锂的溶解量是已知陆地资源中锂的10倍;后者的有限规模可能成为储能的长期障碍。

烷烃中的烯烃。制造塑料，如聚乙烯和聚丙烯需要烯烃-碳氢化合物，如乙烯和丙烯，也称为烯烃。全球乙烯和丙烯年产量超过2亿吨，相当于地球上每人约30公斤。乙烯从乙烷的工业分离通常依赖于温度低至- 160°C的高压低温蒸馏。仅丙烯和乙烯的提纯就占全球能源消耗的0.3%，大致相当于新加坡一年的能源消耗。

与原油一样，找到一种不需要从一种相转换到另一种相的分离系统，可以将过程的能量强度(每单位体积或产品重量所消耗的能量)降低十分之一，并抵消类似数量的碳排放⁵．例如，正在开发的多孔碳膜可以在室温和温和压力(小于10巴)下分离气态烯烃和烷烃(也称为石蜡)⁶．但是这些还不能生产出纯度超过99.9%的烯烃，用于化学制品的生产。

在短期内，“混合”分离技术可能会有所帮助——膜可以用于批量分离，低温蒸馏用于“抛光”产品。这样的方法可以将烯烃生产的能量强度降低2到3倍，直到膜变得足够好，可以完全取代蒸馏。一个主要的障碍是扩大膜的规模——工业可能需要高达100万平方米的表面面积。这种规模的部署将需要新的制造方法以及材料性能的进步。

温室气体的稀释排放。CO的人为排放₂而其他碳氢化合物，如炼油厂和油井释放的甲烷，是全球气候变化的关键因素。从发电厂、炼油厂废气和空气等稀释源中捕获这些气体既昂贵又技术困难。

像单乙醇胺这样的液体容易与一氧化碳反应₂，但因为必须加热才能去除CO₂从产生的液体来看，这个过程对发电厂来说在经济上是不可行的。如果该方法应用于美国的每一个电站，CO₂捕获可能会消耗该国每年30%的国内生产总值增长⁷．捕获CO的更便宜的方法₂此外，还需要开发以最低能源成本排放碳氢化合物的技术。

一个复杂的因素是如何处理提纯后的产品。有限公司₂可用于原油生产方法，即提高原油采收率，或用于垂直农业，以及作为化学和生物炼制原料。但是人类活动排放了如此多的气体⁸在实际操作中，大部分天然气需要长期储存在地下水库中，这引发了其他问题。

从矿石中提取的稀土金属。这15种镧系金属或稀土元素被用于磁体、可再生能源技术以及石油炼制中的催化剂。例如，紧凑型荧光灯使用铕和铽，催化转换器依赖于铈。经济地生产稀土是一个分离问题，而不是供应问题。尽管它们的名字，但大多数元素在地壳中的含量要比金、银、铂和汞丰富得多。不幸的是，稀土在矿石中被发现的量是微量的，而且由于它们的化学性质相似，常常被混合在一起。

从矿石中分离稀土需要机械方法(如磁选和静电分离)和化学处理(如泡沫浮选)。这些都是低效的:它们必须与开采的矿石的复杂成分相抗衡，使用大量的化学物质，并产生大量的废物和放射性副产品。迫切需要改进。

从废弃产品中回收稀土的做法越来越多。定制工艺可以设计，因为产品的化学和物理成分是明确的。人们已经探索了多种冶金和气相萃取方法，但回收稀土还不是大多数供应链的一部分^9，10．需要进行研究，以减少含稀土的关键物品在整个生命周期内对生态的影响。

苯的衍生物。许多聚合物、塑料、纤维、溶剂和燃料添加剂的供应链都依赖于苯(一种环状碳氢化合物)及其衍生物，如甲苯、乙苯和二甲苯异构体。这些分子在精馏塔中分离，全球能源成本加起来约为50吉瓦，足以为大约4000万户家庭供电。

二甲苯的异构体是彼此之间结构略有不同的分子，这导致了不同的化学性质。一个异构体，对二甲苯(或p-二甲苯)，最适合用于生产聚合物，如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)和聚酯;超过8公斤p美国每年人均生产-二甲苯。各种二甲苯异构体的大小和沸点相似，使得它们很难通过蒸馏等常规方法分离。

膜或吸附剂的进步可以降低这些过程的能量强度。至于其他工业规模的化学过程，要实现分离苯衍生物的替代技术，就需要在商业实施之前，相继在更大的规模上证明其可行性。建造一座化工厂可能耗资10亿美元或更多，因此投资者希望在建造新的基础设施之前确保一项技术能够发挥作用。

一个主要的障碍是扩大膜的规模。

水中的微量污染物。海水淡化——无论是通过蒸馏还是膜过滤——都是能源和资本密集型的，因此在许多干旱地区是不可行的。蒸馏不是答案:热力学定义了从海水中产生饮用水所需的最小能量，而蒸馏所消耗的能量比这个基本限制多50倍。

反渗透过滤是一种通过膜对盐水施加压力以产生纯水的过程，它只比热力学极限多消耗25%的能量⁵．但是反渗透膜处理水的速率有限，需要大型、昂贵的工厂来生产足够的流量。海水的反渗透已经在中东和澳大利亚进行了商业规模的应用。但是处理污染更严重的水的实际困难——包括腐蚀、生物膜形成、结垢和颗粒沉积——意味着还需要昂贵的预处理系统。

开发生产效率更高、抗污染能力更强的膜，将降低海水淡化系统的运营和资本成本，使该技术在商业上甚至对高度污染的水源也是可行的。

下一个步骤

学术研究人员和政策制定者应该关注以下问题。

首先，研究人员和工程师必须考虑现实的化学混合物。大多数学术研究集中于单一化学物质，并利用这些信息推断混合物的行为。这种方法可能会遗漏仅在化学混合物中出现的现象，并忽略痕量污染物的作用。工业研究和开发领域的学者和领导者应该为常见的分离建立代理混合物，其中包括主要化学成分和常见污染物。

其次，任何分离技术的经济性和可持续性都需要在整个化学过程的背景下进行评估。应使用诸如每公斤产品成本和每公斤能源消耗等性能指标。膜模块或吸附剂材料等部件的使用寿命和更换成本需要考虑在内。

第三，必须在技术开发的早期认真考虑所需部署的规模。为了将新技术从实验室推广到试点规模，需要学术和工业试验台等物理基础设施，以降低任何可感知的风险。管理这一问题需要学术界、政府机构和行业合作伙伴进行合作。

第四，目前化学工程师和化学家在分离方面的培训往往过于强调蒸馏。接触其他操作——如吸附、结晶和膜——对于培养一支能够实现未来所需的全方位分离技术的劳动力至关重要。