七項改變世界的化學分離技術

時間: 2016年06月13日 | 作者: admin | 來源: Sciencedaily

改進分離技術可以大量節省能源。

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如今，以熱能為基礎的工業化學分離過程（例如，蒸餾）所消耗的能量佔到了全球年均能量消耗的10%~15%。因此，提高分離技術，在生產燃料、塑料、食物等產品的過程中節約能量，將大大緩解全球的能源緊張局勢。

最近，《自然》（Nature）刊登了一篇評論，來自喬治亞理工學院（Georgia Institute of Technology）的兩名學者歸納出了七大能源密集型分離過程，指出這些分離過程是研究低能耗提純技術的首要對象。化學分離技術的進步不但有利於節約能源消耗，而且能夠降低污染、減少二氧化碳排放，甚至能夠開闢獲取世界關鍵資源的新途徑。

作者解釋說，可應用於分離過程的各項技術正處在不同的發展階段。而目前替代技術的發展水平仍很低，或者說很難實現規模化，要實現這些替代技術的大規模應用仍然需要巨大的研發投入。

David Sholl是該評論文章的作者之一，他也是喬治亞理工學院化學與生物分子工程學院院長，他指出：「我們要想強調的是，世界上有非常非常多的能源用到了化學分離上，然而存在這樣一些領域，我們只要加強對這些領域內化學分離過程的研發，就很有希望在節約能源方面實現大的突破。儘管多數人對這些過程沒有什麼概念，但是無論從節省能源，還是保護環境的角度來看，發展這些分離過程中的新技術都是意義深遠的。」

以美國為例，如果非熱分離技術可以替代傳統分離技術，那麼每年用於石油產業、化工產業、造紙產業的能源開銷就能減少40億美元，同時每年二氧化碳的排放量也有望減少1億噸。

該文章的第二作者，喬治亞理工學院化學與生物分子工程學院的助理教授Ryan Lively這樣說道：「化學分離消耗的能源大約佔據了全美工業能源消耗的一半，發展不消耗熱量的替代過程能夠大幅度提高分離過程效率，在現有技術基礎上提升80%。」

下面就是他們選出的「將影響世界的七大化學分離過程」，：

1 從原油中分離碳氫化合物。原油中的碳氫化合物是生產燃料、塑料、聚合物的主要原料，在世界經濟中起到了至關重要的作用。該文章稱，位於世界各地的煉油廠每天會加工總計約9千萬桶的原油，而這些加工過程大多採用常壓蒸餾，每年要消耗約23萬兆瓦的能量，這些能量相當於英國在2014年一整年的能源消耗。在蒸餾的過程中，首先要將油加熱，接著，由於不同化合物的沸點不同，在加熱過程中它們的揮發速度也存在差異，利用這種揮發速度的差異就能收集得到不同的化合物。尋找其替代過程之所以非常困難，是因為油本身的化學成分比較複雜，而且該過程還需要維持高溫，以保證粘稠的原油能夠不斷流動傳輸。

2 從海水中分離鈾。核電能夠在不增加碳排放的基礎上為人類提供額外的能量，而全世界的鈾燃料儲量是有限的。但是，在海水中存在著超過40億噸的鈾元素。從海水中分離得到鈾的過程非常複雜，主要是因為現有技術在分離出鈾的同時，也引入了海水中的釩、鈷等雜質。目前，有些從海水中分離鈾的技術已經進行了小規模的了示範實驗，但要想使該分離過程對核電的發展起到明顯的推動作用，仍然需要實現其大規模化的應用。

3 從烷烴中分離烯烴。在一些塑料的生產過程中會用到烯烴，即乙烯、丙烯等碳氫化合物，而這些碳氫化合物的總年產量超過2億噸。以乙烯從乙烷中的分離為例，該過程一般需要用到高壓低溫蒸餾。混合分離技術結合了薄膜與蒸餾過程，能夠把能源消耗減小至原來的一半，甚至是三分之一。然而在實際應用過程中，僅僅一家化工廠就要用到多達一百萬平方米的薄膜，因此，大規模化製備這類薄膜材料是該混合分離技術規模化的前提條件。

4 從稀釋的排放物中分離溫室氣體。來自發電廠等處的稀釋氣體排放物中富含二氧化碳與諸如甲烷等碳氫化合物，而這類化合物的排放導致了全球氣候變化。利用液態胺類材料已經可以脫除稀釋排放物中的此類氣體化合物，但是，從這類材料中脫除二氧化碳的過程需要熱量。目前，產業界仍需尋找成本更低廉的二氧化碳脫除方法。

5 從礦石中分離稀土金屬。稀土金屬在磁性材料、催化劑、高效發光等領域有著廣泛應用。儘管這類物質並非真的儲量稀少，但由於它們在礦石中以痕量存在，其分離過程需要運用到複雜的機械與化學手段，因此這類物質非常難以獲取。

6 苯環衍生物互相之間的分離。苯及其衍生物在聚合物、塑料、纖維、溶劑及燃料添加劑的生產過程中的地位無可取代。目前，這類分子的分離主要採用蒸餾塔，每年總的能源消耗約有5萬兆瓦。薄膜與吸附劑的發展對降低這類能源投入有著至關重要的作用。

7 從水中分離痕量雜質。在世界上的一些地方，海水脫鹽已經成為滿足淡水需求的關鍵技術。然而，不管是採用薄膜技術還是蒸餾技術，該過程既要消耗大量能源，又要消耗大量資本。開發高產量、防污垢的薄膜有望降低其成本。

Sholl和Lively在文章最後總結了可供研究學者與政策制定者參考的四大步驟，以推動非熱分離技術的應用：

1.在研究過程中，學者應考慮實際的化學混合物，考慮實際工程條件；
2.評價任一分離技術的經濟性與可持續性；
3.考慮技術在產業界實際應用時的規模；
4.加強對化學工程師與化學家的培訓，使其進一步了解無需蒸餾的分離技術。


翻譯：王舟
校審：趙昌昊