膜分离，这所土豪大学一天连发篇!

膜分离，这所土豪大学一天连发2篇Science!

北京时间6月3日凌晨，国际顶级学术期刊Science同时在线发表了阿卜杜拉国王科技大学用膜分离提炼石油和净化天然气的过程[/S2] 阿卜杜拉国王科技大学(KAUST)是两篇论文的第一作者单位和唯一通讯作者单位。

阿卜杜拉国王科技大学，位于沙特阿拉伯吉达，是一所专门从事科学技术的国际私立研究型大学。它成立于2009年9月，建成时耗资约167亿人民币。被誉为世界上最奢华的大学。目前只招收硕士和博士，提供各种优秀的宿舍选择，包括公寓、联排别墅、独栋别墅。可以申请每年高达9万美元的奖学金，拥有世界顶尖的科研设备、实验室和取之不尽的科研经费。

在《科学》杂志的第一篇文章中，阿卜杜拉国王科技大学的Suzana P. Nunes 研究小组报告了一种制造具有10 nm超薄选择层[/S2]的聚三唑薄膜的通用策略，该过程涉及使用经典的非溶剂诱导相分离(NIPS)和热交联。可以将膜选择性调节到典型纳米过滤范围(200至1000 g/mol)的下限。三唑膜可以富集高达80%至95%的少于10个碳原子的烃(140g/mol)。这些膜优先分离链烷烃而不是芳烃，使它们适合集成到原油分馏的混合蒸馏系统中。相关研究成果发表在最新一期《科学》杂志上，题为“用于破碎石油的超薄可调选择性层聚三唑膜”

另一段科学来自于KAUST的研究团队Mohamed Edd Aoudi，物理科学与工程系，先进膜与多孔材料中心，。当他们将MOF纳米片嵌入聚合物基质中时，他们形成混合基质膜，该膜在随后的几天内形成。。

第一次科普解读:膜分离，这次直接炼油！

分离过程在化学、制药和石化工业中是必不可少的，并且广泛用于溶剂和化学提纯、溶剂交换、催化剂循环和回收。传统的分离技术，如蒸馏、吸附、蒸发和提取都是能源密集型的。这些分离占资本和运营成本的40%到70%。其中原油分离(将原油分离成不同石油产品的过程)是燃料和商品供应链中的关键过程。美国能源信息署(EIA)预测，目前全球石油和液体燃料产量约为每天1亿桶，到2050年还将继续增长。在缺乏有竞争力的燃料和各种石油产品替代品的情况下，碳氢化合物行业必须积极减少其运营的碳足迹。这就是先进的膜分离策略发挥作用的地方，因为与蒸馏等更传统的方法相比，膜分离可以大大降低能源需求。此外，膜可以很容易地集成，以创建一个混合过程中使用现有的基础设施。

图一。传统的原油精炼厂消耗大量能量来驱动分离过程。

虽然无机材料可能具有较高的热稳定性和溶剂稳定性，但它们也有局限性:成本高、机械性能差和难以放大。聚合物膜比大多数无机膜便宜，易于加工，可以集成到大模块中。然而，只有几种聚合物材料在工业上用于非水溶液的纳滤，例如聚(二甲基硅氧烷)和聚酰亚胺。聚苯并咪唑、聚醚醚酮和具有固有微孔的聚合物(PIM)正在接受评估。很多情况下，暴露在恶劣环境下，溶胀效应会影响分离性能。最近，报道了一系列PIM聚合物，它们显示出有吸引力的原油分离。这是一项具有挑战性的分离，需要更多的材料来处理工业条件并成功分离复杂的混合物。在没有明显膜老化的情况下，克服渗透率和选择性之间的权衡，尤其是在原油炼制等行业，是一项艰巨的任务。

鉴于此，来自阿卜杜拉国王科技大学的Suzana p . nu nes教授的研究小组报道了制造具有10 nm超薄选择层的聚三唑膜的一般策略。该过程包括使用经典的非溶剂诱导相分离(NIPS)和热交联[/ S2/]。可以将膜选择性调节到典型纳米过滤范围(200至1000 g/mol)的下限。三唑膜可以富集高达80%至95%的少于10个碳原子的烃(140g/mol)。这些膜优先分离石蜡而不是芳烃，使它们适合集成到原油分馏的混合蒸馏系统中。相关研究成果发表在最新一期《科学》杂志上，标题为“用于破碎石油的超薄可调选择性层聚三唑膜”。

[超薄聚三唑薄膜的制备与表征]

选择具有侧羟基(OH)基团的聚三唑(PTA-OH，图1A)作为膜材料。首先，将其溶解在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)或N，N’-二甲基甲酰胺(DMF)中，然后将溶液倒入水中，最后引发热交联。在图中，1B-D、傅立叶变换红外(FTIR)光谱、高分辨率固态核磁共振(SS-NMR)、动态核极化(DNP)、多核二维(2D)(1H、13C、17O、15N)光谱和电子顺磁共振(EPR)光谱证明PTA-OH的热交联导致了图1A中描述的结构。

图一。热交联薄膜的结构与表征

利用这种技术，作者合成了羟基功能化的聚三唑(PTA-OH)膜，具有大孔结构(图2A-C)。随后的热处理使的聚合物结构交联，同时引起膜表面的致密化。层状和不对称结构允许根据尺寸和形状对复杂的有机液体混合物进行快速和选择性分类，而交联结构在各种有机溶剂中提供足够的稳定性。本文提供的路线是一种非常简单的工艺，类似于醋酸纤维素膜，但可以做得更薄更韧 (图2D-F)。

图二。DMF中16wt%PTA-OH溶液铸膜的形态表征

[聚三唑膜的分离性能]

轻质原油主要由汽油、煤油和柴油组成，占全球液体燃料消耗量的60%。当作者创造膜时，他专注于轻质原油的分馏。在他们的概念验证实验中，交联的聚三唑膜允许碳数低于C10的烃的渗透物的富集率达到95%，这与汽油相匹配。基于聚三唑膜的可调节性，可以产生在不同温度下交联的级联的聚三唑膜，以实现对其它组分如煤油和柴油的高选择性富集。

此外，聚三唑膜在用于粗分馏的有机溶剂纳滤(OSN)压力(< 15巴)范围内，低于有机溶剂反渗透(OSRO)(通常大于30巴)。其他研究人员提出了“OSRO权衡”曲线来比较用于有机溶剂分离的膜材料，该曲线显示了膜渗透性和选择性的上限。虽然比较取决于进料组成和上游压力，但交联的聚三唑膜可以拒绝高达60%的一种标准标记溶质(1，3-二异丙苯，162.26 gmol-1)。这种选择性可与最先进的OSRO膜相媲美。此外，聚三唑膜对于甲醇、丙酮、四氢呋喃和甲苯的纯溶剂(10至30 lm 2 h 1 bar 1)具有与最先进的OSN膜(如聚酰胺和聚芳酯膜)相似的渗透率。这些图表明聚三唑膜可以同时具有高溶剂通量和高选择性。通过结合现有技术，对复杂的烃类混合物进行分选，解决了膜制造和膜分离的复杂性。

图3。以稀释的阿拉伯超轻质原油为原料的聚三唑膜的性能

图4。聚三唑膜分离原油。

[摘要]

通过合理选择聚合物结构，将经典的NIPS方法与热交联相结合，可以得到一种极具挑战性的化学分离:原油分馏的有前途的膜。三唑在可加工性和交联方面的多样性允许通过使用易于规模化的方法获得具有超薄选择层的聚合物膜。超薄聚三唑层的可调节选择性和渗透性使这些膜适用于级联系统，并且每一步提供特定范围的烃分离。高热稳定性允许进料混合物在不同的条件下进行测试，而其他聚合物薄膜可能无法承受这些条件。

来源:高分子科学前沿

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