在2016年4月28日，英国Nature期刊网站上刊登了美国亚特兰大佐治亚理工大学教授Sholl D.S.和Lively R.的评论文章（comment），题目是“Seven chemicalseparations to change the world”。

【阅读导言】最近有一个月没有更新读书笔记是因为忙着上课，而且最近在上一门本科生的《分离工程》课程。在课堂上为了提高同学们的学习及科研的兴趣及培养创新思维，我在课程的前言部分讲述了化学工程的发展需要结合新材料的发展的个人观点，特别把最近发表的关于超疏水分离网有效分离油和水的混合物的论文（下次再跟大家分享这篇综述论文）跟他们分享，由此引导他们寻求更节能的方式来获得有效的分离的各种方法。这部分内容讲述结束后给他们布置了如何分离油水乳化液的作业，全部的学生在我的要求下积极查阅了相关的科技文献资料。在我给他们批改作业的时候，正好看到Sholl和Lively教授的这篇文章，因此跟大家分享一下关于目前分离技术进展的一些新思路，主要是从节省能源的角度去思考如何利用现有的日新月异的新材料去实现低能耗的化工分离过程，从这点看，该文与我的思考和观点是一致的，尤其是该文章的最后一段，也是我在课堂上讲过的发展趋势，大化工时代创造的大量知识，除了学习，还需要更多新知识的创造，尤其是结合新材料的发展，开发出更节能的分离过程。为了大家获得更多的了解，我将这篇文章的主要内容分享给大家。

--------------

  Nature的这篇论文指出，大家都知道化工分离过程中的精馏方法是最常用的分离方法之一，也是能耗较高的一种分离方法，精馏过程需要消耗整个世界总能耗的10-15%。因此全世界的工业界及学术界都在寻求不需要依赖热能的更好更便宜的膜材料或其他方法来实现化学混合物质的分离。该文的作者针对七个分离过程提出了其他新的分离方法可用于取代耗能的精馏过程的新思路。尤其是膜分离方法及吸附剂的应用是作者重点思考的内容，他们给出的图片（cutting costs）也有所反映。

------------------------------

（1）从原油制取碳氢化合物。由于原油含有复杂的分子，有些特别粘稠，还含有杂质，杂质包括硫化物及金属如汞和镍，因此找到取代精馏的方法非常困难。理论上根据分子特性如化学亲和力或者分子尺寸，去分离烃类化合物是可行的。膜基分离方法或者其他非热能方法可比热驱动的精馏分离方法有更多的能量效率。但这方面的研究却非常少。这就需要研究者找到能够同时分离多个族群分子的分离材料，并能在保证原料油流动及不被污染物堵塞的高温下进行工作。

（2）从海水分离铀。尽管目前核工业发展的轨迹并不确定，但按目前的使用速度，最多只能再用一个世纪就没有铀了。但是海水中存在大量的铀，目前可用于捕获海水里的铀的材料有：含胺肟官能团的多孔聚合。但是这些分子孔不仅仅捕获铀，另外还捕获钒、钴和镍等金属。这里需要解决的问题是在浓缩铀的过程中，需要把其他的金属分离出来。在1999-2001年间，日本的团队用吸附结构材料捕获约350克铀。由于建立一座核电站需要用几百吨的铀，因此提取铀的规模需要大幅度提高。实际上，努力降低吸附剂的成本对吸附材料来说也是必须的。另外，利用吸附材料还可以吸附有价值的锂离子电池的Li离子。吸附材料应用广阔，本人也有研究多孔聚合物吸附材料，因此看到这里心里很激动。

图：用于从溶液中分离金属如铀的高容量（HiCap）聚合物

-------------

（3）从烷烃提取烯烃。烯烃如乙烯和丙烯，是制备塑料聚乙烯和聚丙烯的原料。在烷烃制备烯烃过程中需要高压-低温精馏制备，温度通常低至-160℃。纯化乙烯和丙烯的过程需要耗能约等于新加坡整个国家能源消耗的0.3%。如果找到一个分离系统，不需要从一个相态变成另一个相态（例如：液体（液态）变成气体（气态）。目前传质分离过程需要改变相态来获得有效分离。）来降低生产每单位产品所需要的能量（产品能量密度，高压-低温精馏的产品能量密度通常为10。）。比如，多孔碳膜材料，可在室温下分离气态烷烃和烯烃。但无法获得化学品加工所需的99.9%纯度的烯烃。作者提出，在短期内，可采用复合分离技术，膜用于前期批量处理，然后用低温精馏获得足够纯度的烯烃。这样可以降低产品能量密度至2-3。这方面需要解决的是如何获得大面积的膜用于工业化，至少得有100万平米面积的膜材料。这将需要发展新的加工方法，也有赖于材料性能的发展。

（4）从稀溶液中释放的温室气体。人类从炼油厂和油井排放出CO₂和甲烷等碳氢化合物是引起全球气候变化的主要原因。而从电厂和炼油厂排放的、及空气中稀薄的气体中吸附捕获温室气体是非常困难和成本昂贵的。目前电厂通常采用乙醇胺吸收的CO₂气体，但由于需要加热使CO₂从液体中释放出来，对电厂而言并非经济可行。如果美国每个电厂都采用这种方法，则CO₂捕获将消耗整个美国GDP总值的30%的费用。因此需要开发廉价和降低能耗的方法来捕获CO₂和碳氢化合物。我们正好有一篇论文关于CO₂吸附多孔聚合物材料的文章正准备投稿，希望大家到时关注。

（5）从矿物中提取稀土金属。稀土元素如镧系金属，被用于磁、可替代能源和石油加工催化剂。从矿物中分离稀土需要物理方法（如磁场和静电分离）和化学处理（如泡沫浮选法），通常效率低下，因为需用大量的化学药剂从复杂的矿物中艰难地提取，还造成大量的矿物浪费和产生了产品的辐射污染，迫切需要改善现有的状态。作者提出了循环利用稀土金属的办法。各种冶金学的及气相萃取方法得到了开发，但是回收稀土金属的产量依然没有成为主要的稀土供应链。降低稀土元素的整个生命周期对生态的影响也将是这方面的主要研究课题。这让我想起读博士的时候，朱萍同学师从古国榜教授，研究从废气电路板或其他废气的电子元件中提取金子的课题，非常有意义。

（6）从苯衍生物中提取彼此。苯、环烃及苯的衍生物如甲苯、乙基苯和同分异构体二甲苯，是生产大量聚合物、塑料、纤维、溶剂和燃料添加剂的来源。它们的获得有赖于精馏单元的分离，非常耗能。尤其是同分异构体的二甲苯的分离，即便是使用传统的精馏方法依然很难从同分异构体中分离出对-二甲苯。而膜材料及吸附剂的优势在于可降低这个过程所需的能量密度。对于工业级别的化学过程，分离苯的衍生物的可行的取代精馏方法的技术必须可获得大量的产物方可实施商业化应用，否则工厂很难生存。因为建造一个工厂所需要投入的基础设施需要十亿美元或者更多。

（7）从水中分离痕量污染物。海水淡化过程不管是通过蒸馏还是膜分离过程，都是能量密度和资本投入密度都相当高的技术，尤其是干旱的地区很难实施。从海水中制取可饮用水，蒸馏并不是最佳的答案。反渗透膜法通过对膜进行加压可生产出纯净水，仅仅需要比热力学限的能量多25%的能量，而蒸馏则需要50倍的热力学限的能量。但是反渗透膜过程产水量很少，需要规模大的、投资资金多的工厂来生产出足够的流量。海水反渗透制纯水已经在中东和澳大利亚具有一定的商业规模，但是处理更多污染过的水实际上非常困难，污染过的水包括锈蚀、形成的生物膜、可量化和部分沉积物，这些都意味着需要建立昂贵的渗透系统方可解决。其实很多纯净水生产厂是用自来水作为原料来通过反渗透制取的，相对那些存在大量污染物的水源来说，制备过程更易实现。

      在该文的末尾，Sholl D.S.和Lively R.呼吁目前在培养化学工程师和化学家的过程中，不要过分强调精馏过程及塔器设计的学习，探索其他的操作过程如吸附、结晶和膜过程至关重要，因为在未来，能够实现全方位的分离技术是必须掌握的。

注：点击阅读原文，可阅读外文文献。

欢迎关注本人的公共号！长按关注。