大多数工业化学家每天的工作都是将大量化学混合物中的成分分离成纯净或更纯净的形式。所涉及的过程，例如蒸馏，占世界能源消耗的 10-15%。
如果应用于美国石油、化学和造纸制造业，更节能的化学物质净化方法每年可节省 1 亿吨二氧化碳排放量和 40 亿美元的能源成本（参见“降低成本”）。其他方法将通过从海水中提取金属等方式，使新的材料来源得以开发。
不幸的是，蒸馏的替代方法，例如根据分子的化学性质或大小分离分子，要么尚未开发成熟，要么扩大规模成本昂贵。工业界和学术界的工程师需要开发更好、更便宜的膜和其他不依赖热量的化学混合物分离方法。
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在此，我们重点介绍七种化学分离过程，如果加以改进，将带来巨大的全球效益。我们的清单并非详尽无遗；几乎所有商业化学品都来自可以改进的分离过程。
七种分离方法
原油中的碳氢化合物。 碳氢化合物是制造化石燃料、塑料和聚合物的主要成分。世界各地的炼油厂每天处理约 9000 万桶原油，大约相当于地球上每人 2 升。大多数炼油厂使用常压蒸馏，全球每年消耗约 230 吉瓦 (GW) 的能量，相当于 2014 年英国的总能源消耗量，或德克萨斯州能源消耗量的一半左右。在典型的炼油厂中，每天在 50 米高的塔中加热 200,000 桶原油，以根据其沸点释放数千种化合物。轻质气体在较冷的顶部（约 20 °C）逸出；较重的液体在较低和较热的点（高达 400 °C）离开。
寻找蒸馏的替代方法非常困难，因为原油包含许多复杂的分子，其中一些分子具有高粘度，并且存在无数污染物，包括硫化合物和金属，如汞和镍。原则上，根据分子的性质（如化学亲和力或分子大小）分离碳氢化合物是可行的。基于膜的分离方法或其他非热分离方法，其能源效率可能比使用蒸馏的热驱动分离方法高出一个数量级。但在这方面的研究很少。
自然新闻，2016 年 4 月 26 日，doi:10.1038/532435a
来源：参考文献 [1]/美国能源信息署的数据
研究人员需要找到能够同时分离多种分子族，并且能够在保持重油流动所需的高温下工作，而不会被污染物堵塞的材料。
从海水中提取铀。 核能对于未来低碳能源的生产至关重要。尽管核工业的发展轨迹尚不确定，但按照目前的消耗速度，已知的地质铀储量（450 万吨）可能持续一个世纪。海水中存在超过 40 亿吨的铀，浓度为十亿分之一。
几十年来，科学家们一直在寻找从海水中分离铀的方法。存在能够捕获铀的材料，例如含有脒基肟基团的多孔聚合物。但是，这些分子“笼子”也会捕获其他金属，包括钒、钴和镍。
化学家需要开发在从海水中净化和浓缩铀的同时去除这些金属的过程。在 1999-2001 年，日本团队使用吸附织物捕获了约 350 克铀。启动一个新的核电站需要数百吨铀燃料，因此这些过程的规模需要大幅增加。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，例如用于电池的锂。海洋中溶解的锂含量是已知陆地资源中的十倍；后者规模的限制可能会成为能源存储的长期障碍。
从烷烃中提取烯烃。 制造聚乙烯和聚丙烯等塑料需要烯烃，即乙烯和丙烯等碳氢化合物，也称为烯烃。全球每年乙烯和丙烯的产量超过 2 亿吨，约合地球上每人 30 公斤。工业上从乙烷中分离乙烯通常依赖于在低至 -160 °C 的温度下进行高压低温蒸馏。仅丙烯和乙烯的纯化就占全球能源消耗的 0.3%，大致相当于新加坡的年度能源消耗。
与原油一样，寻找不需要相变的分离系统可以将该过程的能量强度（每单位体积或重量产品的能源消耗量）降低十分之一，并抵消类似数量的碳排放。例如，正在开发多孔碳膜，可以在室温和温和压力（小于 10 巴）下分离气态烯烃和烷烃（也称为链烷烃）。但是，这些膜还不能生产化学品制造所需的纯度超过 99.9% 的烯烃。
在短期内，“混合”分离技术可能会有所帮助——膜可用于大批量分离，而低温蒸馏可用于“抛光”产品。在膜变得足以完全取代蒸馏之前，这种方法可以将烯烃生产的能量强度降低 2 或 3 倍。一个主要的障碍是扩大膜的规模——工业可能需要高达 100 万平方米的表面积。如此大规模的部署将需要新的制造方法以及材料性能的进步。
从稀释排放物中捕获温室气体。 人为排放的二氧化碳和其他碳氢化合物，例如炼油厂和油井释放的甲烷，是全球气候变化的主要贡献者。从稀释源（如发电厂、炼油厂尾气和空气）中捕获这些气体既昂贵又在技术上困难。
诸如单乙醇胺之类的液体很容易与二氧化碳反应，但是由于必须加热才能从所得液体中去除二氧化碳，因此该工艺对于发电厂而言在经济上不可行。如果将该方法应用于美国的每个发电站，则二氧化碳捕获每年可能花费该国国内生产总值增长的 30%。需要开发以最低能源成本捕获二氧化碳和碳氢化合物排放的更廉价的方法。
一个复杂因素是决定如何处理纯化后的产品。二氧化碳可用于称为提高石油采收率的原油生产方法，或用于垂直农业以及作为化学和生物精炼厂的原料。但是，人类活动排放了大量的气体，因此实际上，其中大部分将需要长期储存在地下储层中，从而引发其他问题。
从矿石中提取稀土金属。 15 种镧系金属，或稀土元素，用于磁体、可再生能源技术以及石油精炼中的催化剂。例如，紧凑型荧光灯使用铕和铽，催化转化器依赖于铈。经济地生产稀土是一个分离问题，而不是可用性问题。尽管名称如此，但大多数元素的地球地壳含量远高于金、银、铂和汞。不幸的是，稀土在矿石中以痕量存在，并且由于它们的化学性质相似，因此经常混合在一起。
从矿石中分离稀土需要机械方法（例如磁选和静电分离）和化学处理（例如浮选）。这些方法效率低下：它们必须应对矿石的复杂成分，使用大量的化学品，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正在增加。可以设计定制工艺，因为产品的化学和物理成分是明确的。人们已经探索了各种冶金和气相萃取方法，但是回收的稀土尚未成为大多数供应链的一部分。需要进行研究以减少在其整个生命周期内含有稀土的关键物品的生态影响。
从彼此中分离苯衍生物。 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）以及其衍生物，例如甲苯、乙苯和二甲苯异构体。这些分子在蒸馏塔中分离，全球总能源成本约为 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。一种异构体，对二甲苯（或对二甲苯），最适合生产聚对苯二甲酸乙二醇酯 (PET) 和聚酯等聚合物；在美国，每年人均生产超过 8 公斤的对二甲苯。各种二甲苯异构体的相似尺寸和沸点使得难以通过蒸馏等传统方法分离它们。
膜或吸附剂的进步可以降低这些过程的能量强度。与其他工业规模的化学过程一样，实施用于分离苯衍生物的替代技术将需要证明其可行性，并在商业实施之前逐步扩大规模。建造化工厂可能耗资 10 亿美元或更多，因此投资者希望确保技术在建造新基础设施之前能够发挥作用。
从水中去除痕量污染物。 脱盐——无论是通过蒸馏还是膜过滤——都是能源和资本密集型的，这使得它在许多干旱地区不可行。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低能量，而蒸馏使用的能量是此基本限制的 50 倍。
反渗透过滤是一种跨膜对盐水施加压力以产生纯水的工艺，仅比热力学极限5多消耗 25% 的能量。但是，反渗透膜以有限的速率处理水，需要大型且昂贵的工厂才能产生足够的流量。中东和澳大利亚已经在商业规模上进行海水反渗透。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。
开发更高效且更能抵抗污染的膜将降低脱盐系统的运营和资本成本，从而使该技术即使对于高度污染的水源也具有商业可行性。
后续步骤
学术研究人员和政策制定者应关注以下问题。
首先，研究人员和工程师必须考虑实际的化学混合物。大多数学术研究都侧重于单一化学物质，并使用此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发生的现象，并忽略痕量污染物的作用。学术界和工业研发领域的领导者应建立常见分离的代理混合物，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。需要考虑诸如膜组件或吸附材料等组件的寿命和更换成本。
第三，在技术开发的早期必须认真考虑部署所需的规模。将需要诸如学术界和工业界运营的试验台之类的物理基础设施，以将新技术从实验室推广到中试规模，从而可以降低任何感知到的风险。管理此过程将需要学术界、政府机构和行业合作伙伴进行合作。
第四，目前对化学工程师和化学家进行分离方面的培训通常非常强调蒸馏。接触其他操作（如吸附、结晶和膜分离）对于培养能够实施未来将需要的全方位分离技术的工作队伍至关重要。
本文经许可转载，并于 2016 年 4 月 26 日首次发表。