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七项足以改变世界的化学分离技术

发布时间:2016-07-04

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最近，《自然》（Nature）刊登了一篇评论，来自佐治亚理工学院（Georgia Institute of Technology）的两名学者归纳出了七大能源密集型分离过程，指出这些分离过程是研究低能耗提纯技术的首要对象。化学分离技术的进步不但有利于节约能源消耗，而且能够降低污染、减少二氧化碳排放，甚至能够开辟获取世界关键资源的新途径。
作者解释说，可应用于分离过程的各项技术正处在不同的发展阶段。而目前替代技术的发展水平仍很低，或者说很难实现规模化，要实现这些替代技术的大规模应用仍然需要巨大的研发投入。
David Sholl是该评论文章的作者之一，他也是佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院院长，他指出：“我们要想强调的是，世界上有非常非常多的能源用到了化学分离上，然而存在这样一些领域，我们只要加强对这些领域内化学分离过程的研发，就很有希望在节约能源方面实现大的突破。尽管多数人对这些过程没有什么概念，但是无论从节省能源，还是保护环境的角度来看，发展这些分离过程中的新技术都是意义深远的。”
以美国为例，如果非热分离技术可以替代传统分离技术，那么每年用于石油产业、化工产业、造纸产业的能源开销就能减少40亿美元，同时每年二氧化碳的排放量也有望减少1亿吨。
该文章的第二作者，佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院的助理教授Ryan Lively这样说道：“化学分离消耗的能源大约占据了全美工业能源消耗的一半，发展不消耗热量的替代过程能够大幅度提高分离过程效率，在现有技术基础上提升80%。”

下面就是他们选出的“将影响世界的七大化学分离过程”。

1、从原油中分离碳氢化合物

原油中的碳氢化合物是生产燃料、塑料、聚合物的主要原料，在世界经济中起到了至关重要的作用。该文章称，位于世界各地的炼油厂每天会加工总计约9千万桶的原油，而这些加工过程大多采用常压蒸馏，每年要消耗约23万兆瓦的能量，这些能量相当于英国在2014年一整年的能源消耗。在蒸馏的过程中，首先要将油加热，接着，由于不同化合物的沸点不同，在加热过程中它们的挥发速度也存在差异，利用这种挥发速度的差异就能收集得到不同的化合物。寻找其替代过程之所以非常困难，是因为油本身的化学成分比较复杂，而且该过程还需要维持高温，以保证粘稠的原油能够不断流动传输。
2、从海水中分离铀
核电能够在不增加碳排放的基础上为人类提供额外的能量，而全世界的铀燃料储量是有限的。但是，在海水中存在着超过40亿吨的铀元素。从海水中分离得到铀的过程非常复杂，主要是因为现有技术在分离出铀的同时，也引入了海水中的钒、钴等杂质。目前，有些从海水中分离铀的技术已经进行了小规模的了示范实验，但要想使该分离过程对核电的发展起到明显的推动作用，仍然需要实现其大规模化的应用。
3、从烷烃中分离烯烃
在一些塑料的生产过程中会用到烯烃，即乙烯、丙烯等碳氢化合物，而这些碳氢化合物的总年产量超过2亿吨。以乙烯从乙烷中的分离为例，该过程一般需要用到高压低温蒸馏。混合分离技术结合了薄膜与蒸馏过程，能够把能源消耗减小至原来的一半，甚至是三分之一。然而在实际应用过程中，仅仅一家化工厂就要用到多达一百万平方米的薄膜，因此，大规模化制备这类薄膜材料是该混合分离技术规模化的前提条件。
4、从稀释的排放物中分离温室气体
来自发电厂等处的稀释气体排放物中富含二氧化碳与诸如甲烷等碳氢化合物，而这类化合物的排放导致了全球气候变化。利用液态胺类材料已经可以脱除稀释排放物中的此类气体化合物，但是，从这类材料中脱除二氧化碳的过程需要热量。目前，产业界仍需寻找成本更低廉的二氧化碳脱除方法。
5、从矿石中分离稀土金属
稀土金属在磁性材料、催化剂、高效发光等领域有着广泛应用。尽管这类物质并非真的储量稀少，但由于它们在矿石中以痕量存在，其分离过程需要运用到复杂的机械与化学手段，因此这类物质非常难以获取。
6、苯环衍生物互相之间的分离
苯及其衍生物在聚合物、塑料、纤维、溶剂及燃料添加剂的生产过程中的地位无可取代。目前，这类分子的分离主要采用蒸馏塔，每年总的能源消耗约有5万兆瓦。薄膜与吸附剂的发展对降低这类能源投入有着至关重要的作用。
7、从水中分离痕量杂质
在世界上的一些地方，海水脱盐已经成为满足淡水需求的关键技术。然而，不管是采用薄膜技术还是蒸馏技术，该过程既要消耗大量能源，又要消耗大量资本。开发高产量、防污垢的薄膜有望降低其成本。
Sholl和Lively在文章最后总结了可供研究学者与政策制定者参考的四大步骤，以推动非热分离技术的应用。

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