北京时间6月3日凌晨，国际顶级学术期刊《Science,》在线发表了《来自沙特,的净化天然气》,阿卜杜拉国王科技大学,在膜分离提炼石油、和域的突破性研究成果.阿卜杜拉国王科技大学是两篇论文的第一作者和唯一通讯人。

阿卜杜拉国王科技大学,位于沙特阿拉伯的吉达，是一所专注于科学技术领域的国际私立研究型大学。它成立于2009年9月，建造时耗资约167亿元人民币。目前被称为世界上最奢侈的大学。只招硕士和博士，提供多种精品宿舍选择，包括公寓、联排别墅、独栋别墅。每年可申请高达9万美元的奖学金，拥有世界一流的科研设备、实验室和取之不尽的科研经费。

在第一篇Science中，阿卜杜拉国王科技大学的,SuzanaP.Nunes教授,课题组,报道了一种通用策略来制造具有10nm超薄选择性层的聚三唑膜,含有用于分离烃的亚纳米通道.的选择性层。该工艺涉及经典的非溶剂诱导相分离方法（NIPS）和热交联.的使用。膜的选择性可调节至典型纳滤范围的下限（200至1000g/mol）.聚三唑膜可用于富集高达80%至95%的碳原子数小于10的烃（140g/mol）.这些膜，http://www . Sina.com/

另一篇科学文章来自优先分离石蜡而不是芳烃成分，使其适合集成到混合蒸馏系统中进行原油分馏,KAUST的先进膜与多孔材料中心物理科学与工程学部,MohamedEddaoudi,科研团队(详见今天的第二条推文)。

他们将MOF纳米片嵌入聚合物基质中时，形成混合基质膜，在天然气中表现出优异的二氧化碳和甲烷选择性，并且具有去除硫化氢的能力

分离过程在化学、制药和石化工业中是必不可少的，广泛用于溶剂和化学品的纯化、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%。第一篇Science解读：膜分离，这次直接提炼石油！.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1亿桶/日，到2050年将继续增加。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。其中原油分离——将原油分离成不同石油产品的过程——是燃料和商品产品供应链的关键过程

传统的原油精炼厂消耗大量的能量来为分离过程提供动力。

虽然无机材料可能具有较高的热稳定性和溶剂稳定性，但也有局限性：成本高，机械性能差，规模扩大困难。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，以使用现有基础设施创建混合过程。.然而，只有少数几种聚合物材料，如聚二甲基硅氧烷和聚酰亚胺，在工业上用于非水溶液的纳滤。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。最近，聚合物膜比大多数无机膜便宜，易于加工，并且可以集成到大型模块中报道了一系列PIM聚合物，其显示了有吸引力的原油分离。这是一种具有挑战性的分离，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。在许多情况下，当暴露在恶劣环境中时，膨胀效应会影响分离性能。

鉴于此，克服渗透性和选择性的权衡，特别是在原油精炼等行业，没有明显的膜老化是一项艰巨的任务。,阿卜杜拉国王科技大学的,SuzanaP.Nunes教授,报道了课题组,的这种选择性膜包含一层用于一种通用策略来制造具有10nm超薄选择性层的聚三唑膜.的这种工艺涉及到使用分离烃的亚纳米通道.的这种膜的选择性可以调节到经典的非溶剂诱导相分离方法（NIPS）和热交联.的聚三唑膜可以典型纳滤范围的下限（200至1000g/mol）.

【超薄聚三唑膜的制备与表征】

作者选择了具有侧羟基(OH)基团的聚三唑（PTA-OH，图1A）作为膜材料。首先将其在N-甲基-2-吡咯烷酮(NMP)或N,N'-二甲基甲酰胺（DMF）溶解，然后溶液浇筑并进入到水中，最后引发热交联。在图1B-D中。通过使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱、高分辨率固态核磁共振(SS-NMR)、动态核极化(DNP)与多核二维(2D)(1H,13C,17O,15N)光谱和电子顺磁共振(EPR)光谱证明了PTA-OH热交联导致图1A中描述的结构。

图1.热交联膜的结构与表征

通过使用这种技术，作者合成了具有大孔结构的羟基官能化聚三唑(PTA-OH)膜（图2A-C）。随后的热处理使聚合物结构交联并同时在膜表面引起致密化。层状和不对称结构允许根据大小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下提供足够的稳定性。该文提供的路线是一个非常简单的过程，类似于醋酸纤维素膜，但可以做得更薄和更坚韧（图2D-F）。

图2.从DMF中16wt%PTA-OH溶液浇铸的膜的形态学表征

【聚三唑薄膜的分离性能】

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的60%。作者在创建膜时，就专注于轻质原油的分馏，在他们的概念验证实验中，交联聚三唑膜允许碳数低于C10的碳氢化合物的渗透液富集率高达95%，与汽油相匹配。基于聚三唑膜的可调性，可以创建在不同温度下交联的级联聚三唑膜，以实现煤油和柴油等其他组分的高选择性富集。

除此之外，聚三唑膜在有机溶剂纳滤(OSN)压力范围内（<15bar）进行粗分馏，低于有机溶剂反渗透(OSRO)（通常超过30bar）。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，但交联聚三唑膜可以拒绝高达60%的标准标记溶质之一（1,3-二异丙基苯，162.26gmol-1）。这种选择性可与最先进的OSRO膜相媲美。此外聚三唑膜对甲醇、丙酮、四氢呋喃和甲苯的纯溶剂（10至30Lm−2h−1bar−1）具有与最先进的OSN膜（如聚酰胺和聚芳酯膜）相似的渗透性。这些数字表明聚三唑膜可能同时具有高溶剂通量和高选择性。通过结合现有技术和分选复杂的碳氢化合物混合物，这项研究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性能

图4.聚三唑膜分离原油。

【总结】

通过合理选择聚合物结构并将经典的NIPS方法与热交联相结合，可以获得用于极具挑战性的化学分离的有前景的膜：原油分馏。聚三唑在可加工性和交联方面的多功能性允许通过使用易于放大的方法获得具有超薄选择性层的聚合物膜。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，每个步骤都提供特定范围的烃分离。高热稳定性允许在其他聚合物膜可能无法承受的不同条件下测试进料混合物。

来源：高分子科学前沿

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