工程师们开发了一种新的化学物质分离方法，可以大大减少生产燃料或合成聚合物所需的能量。
该工艺可以将分离阶段所需的能量减半，每年为美国节省 20 亿美元的能源成本，并减少全球 4500 万吨的二氧化碳排放量。
研究人员设计了一种膜，可以区分非常相似的分子，并且可以在会导致现有膜破裂的条件下生存，从而开辟了一整套新的应用。 他们上周在《科学》杂志上发表了他们的研究结果。
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共同作者、埃克森美孚公司的高级研究助理本杰明·麦库尔解释说，分离化学物质是一个长期存在的工业问题，全球 10% 以上的能源需求用于这些过程，例如从海水中去除盐分。
生产清洁水、燃料和工业化学品所用能源的 40% 到 60% 用于分离。
在这种情况下，研究人员研究了分离一类称为二甲苯的有机化合物。
麦库尔说：“这是我们自 20 世纪 90 年代以来一直在埃克森美孚公司研究的分离技术。”
二甲苯是聚酯等材料的前体，也是重要的工业溶剂。 然而，它们有多种变体，这些变体使用相同的原子成分，但以不同的方式连接它们。 这意味着它们具有重叠的特征，例如质量和沸点，因此传统的蒸馏等分离技术效果不佳，而其他技术则需要大量能量才能区分这些非常相似的分子。
“我们谈论的是非常非常小的尺寸差异，”麦库尔说。“它们的尺寸差异为十分之一纳米。”
研究人员决定提出一种在室温下工作的方法，以降低其能源需求，并从现成的组件构建它，以降低其成本。
这个过程称为反渗透，是许多海水淡化厂用来从海洋中生产饮用水的相同技术。 这些工厂使用膜来允许水通过，并阻止盐在压力施加到一侧时通过。
但是这些膜是由有机聚合物制成的，因此如果它们在有机溶液中使用，它们会溶解或膨胀。 并且分离有机化合物需要比海水淡化更高的压力。
麦库尔说：“如今的海水淡化膜在分离二甲苯方面化学稳定性不足。” “这种膜必须更坚固。”
相反，研究人员使用合成碳膜作为分子筛。
共同作者、佐治亚理工学院化学与生物分子工程助理教授瑞安·莱夫利说：“我们制造膜的方法是我们从市售聚合物开始，因为我们希望看到商业化的前景。”
然后，该团队将聚合物纺成空心纤维，将它们化学交联在一起，然后热解该材料以创建碳纤维膜。
莱夫利说：“热解茎会影响孔壁的接近程度。” 可以改变这一点来调整膜以在不同的应用中使用。
当大规模部署时，使用该膜分离有机化学物质可以大大缩小制造燃料或塑料的碳足迹。 莱夫利说：“我们正在看到能源强度降低 10 到 20 倍。”
不过，目前研究人员仍处于实验室阶段，他们正在寻求扩大膜的规模并在不同的应用中进行测试。
莱夫利说：“我们正在考虑水和制药生产中的艰巨挑战。” “我们认为膜有很好的机会。”
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