原油经过精馏可以分离出汽油、石脑油、煤油、柴油、润滑油、沥青等不同产品。一百多年来，这套工艺支撑起了现代社会的运转，却也伴随着高能耗和高碳排放。
数据显示，全球石化行业占到了总碳排放的 1%；而在整个工业领域，炼化的能耗和碳排放占比高达 15% 到 20%。以新加坡为例，作为东南亚主要炼油基地，炼化相关能耗和碳排可以占整个国家工业能耗和碳排的三分之一。
在这一背景下，行业正在寻找更节能的产品去替代现在的精馏技术。
近日，英国 Exactmer 公司、伦敦玛丽皇后大学、中石化北京化工研究院等团队在 Science 发表最新成果，他们改造了一种用于烃类分离的聚合物，即本征微孔聚合物（PIM），其分子链刚性强、结构扭曲，天生自带大量亚纳米级连通微孔，相当于天然的分子筛。研究团队在此基础上研发了锁固型本征微孔聚合物（PLIM），通过在制膜的同时让 PIM 的扭曲微孔结构“锁死”，让膜在复杂烃类液体中既能保持亚纳米尺度的筛分孔道，又能维持较高通量。
“膜的优势就是它不需要热能，不需要相转换。”该研究通讯作者、现任新加坡南洋理工大学助理教授的江志伟告诉 DeepTech，“它不需要通过热驱动，将油从液相变成气相，再冷凝回液相。”
在原油分离测试中，该膜可去除 99.8% 的 C15 以上烃类，并去除 93% 的含硫组分；在石脑油体系中，它还能将 C6 以下轻组分从 48% 富集到 79%，液体流速接近用于海水淡化的反渗透商用膜水平。
更重要的是，这项工作不仅停留在实验室小片膜。研究团队已经通过卷对卷工艺制备出大面积膜片，并做成约 900cm² 有效膜面积的螺旋卷式膜组件，在模拟原油体系中连续运行 30 天仍保持稳定表现。
这也是江志伟反复强调的一点：膜分离如果要走向炼化产业，不能只停留在材料研发的阶段，而必须回答放大、组件、稳定性和真实油品测试等终极问题。
为什么原油分离这么难？
江志伟 16 岁出国求学，在英国帝国理工学院攻读博士并完成博士后研究后，他进入与膜相关的初创公司 Exactmer Limited，亲身参与了膜材料从实验室走向产业化的过程。2025 年 8 月，江志伟回归学术界，来到新加坡南洋理工大学任教。
“我的博士课题研究的是海水淡化反渗透膜”，江志伟介绍道，“在博后期间又转换赛道开发原油分离膜，挑战更大了。”
海水淡化也曾以蒸馏技术为主，但如今，反渗透膜占据了近 90% 的市场份额。海水淡化中，主要组分包括水和盐。目标也非常明确：尽可能让水通过，把盐和其他杂质截留下来。相比之下，原油中有成千上万种组分。
“所有的东西都有用。”江志伟说，“最轻的可以做汽油，稍微重一点的可以做煤油、柴油、润滑油，再重一些可以做沥青。”
这意味着原油分离不是把某一种物质从混合物中拿出来，而是要把连续分布的烃类组分按碳数和用途切成不同馏段。更棘手的是，这些分子大小相近，化学结构也相近，大多都是碳氢化合物。
对于膜来说，这几乎是最难的一类任务：既要让小分子快速通过，又要把尺寸只差一点点的大分子拦住；既要面对复杂组分，又要承受真实油品的高粘度、易污染等难题。
因为分离难度过大，业内普遍认为，由于高分子膜在油类中极易溶胀，膜技术最多只能对原油进行大致的分类，富集成较轻组分和较重组分。“如果只做分类，最后较轻组分依然需要再去过一遍精馏。这就意味着，膜只能作为膜-精馏混合工艺中的初筛步骤，它永远无法真正取代精馏。”江志伟并不满足于这种妥协。
原位锁孔，重铸薄膜结构
近年来，膜分离在原油领域最受瞩目的明星材料是本征微孔聚合物（PIM），过往多项研究工作底层逻辑都是基于 PIM的特性。这种材料有着非常刚硬的骨架，骨架之间会自然形成大量小于 1 纳米的微孔。疏水亲油的骨架加上密布的微孔，理论上是完美的筛分烃类液体的材料。
但到了实际应用中，PIM 的优势也会变成问题。
江志伟用“方便面”来解释这个现象：干燥状态下，脆硬的方便面一层层叠起来，中间有很多空隙，看起来就像可用于筛分的孔。但如果把它泡进水里，面条之间会迅速胀开，原本用于筛分的小孔会变大，分离能力也随之消失。
PIM 在油中的溶胀与此类似。它本质上仍是线性高分子聚合物，链与链之间缺乏连接。一旦进入油品，聚合物链段发生溶胀，孔径被撑大，选择性便会下降。
此外，如果将 PIM 制成工业所需的超薄膜，问题更加明显。传统经验认为，膜越薄，液体流速越高。但对 PIM 来说，薄到纳米尺度后流速反而降低了。这是由于原本由链段堆积形成的微孔减少，大孔和结构缺陷反而暴露出来；同时，链段容易在溶剂中蠕动，导致孔道坍塌或失去原有筛分特征。
为了解决上述问题，业内曾尝试过多种改良方案：减少刚性结构让聚合物更紧密堆叠，虽能缓解溶胀，却会坍塌微孔、破坏原生连通孔道，以致流速大幅降低；抑或是，成膜后再泡在溶液中进行二次交联加固，但溶液对膜的溶胀会和交联加固同时发生，致使交联的是已然溶胀的大孔，选择性大打折扣。
因此，江志伟团队跳出了原有的“先成膜，后加固”的思维，而是在成膜过程中同步交联，把 PIM 链的扭曲堆积构象原位锁住，形成锁固型本征微孔聚合物（PLIM）薄膜。该技术的核心逻辑是在薄膜成型的同时，用化学“卡扣”固定扭曲的分子链与原生微孔，从分子层面抑制溶胀变形，同时完整保留 PIM 材料原有的优势。
实验和模拟结果都支持了这一点。数据显示，未改性的原始 PIM 薄膜在甲苯中溶胀率高达 86% 至 96%，干态平均孔径 0.36 纳米，浸入甲苯后孔径膨胀至 0.84 纳米；而 PLIM 薄膜在甲苯中的溶胀率降至 60% 以内，甲苯环境下孔径仅为 0.45 纳米，结构变化明显更小。
不仅如此，研究团队还进一步调控了膜的厚度，制备出了厚度范围大约是 15-300 纳米的 PLIM 膜。由于锁住了高分子链段，它们在烃类液体的蠕动得到了有效抑制。即使将厚度降低到了 PIM 类膜前所未有的 15 纳米，PLIM 膜的微孔依然不会坍塌，展现了恒定的膜渗透性，真正实现了膜越薄，液体流速越高的理想设计。
从模拟油到真实原油
为了验证膜的分离能力，研究团队先使用了模拟原油体系。这个体系包含九种代表性组分，可模拟原油中的尺寸差异和类别差异。
结果显示，PLIM 膜在模拟原油体系中同时表现出尺寸筛分和类别筛分能力。比如大分子如异十六烷更容易被截留；对芳香族/环烷烃的表现出不同选择性。这说明 PLIM 不是只能分简单模型分子，而是能在多组分烃类混合物中产生有效区分。
随后，团队进一步将膜放大。通过连续卷对卷工艺，制备了约 5m*0.3m 的膜片，并加工成工业标准螺旋卷式膜组件，有效膜面积约 900cm²。在 30 天的模拟原油测试中，该组件表现与实验室小片膜接近。
接下来就是最接近应用的测试，他们先把 PLIM 膜用于真实阿拉伯超轻质（Arabian Extra Light）原油的单级过滤。结果是，膜确实能产生选择性，甚至可以从深色原油中得到无色渗透液。但通量非常低，只有约 0.0003 升每平方米每小时每大气压强（L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹）。这主要受真实原油的高粘度、高渗透压和污染残留等影响。
为此，团队设计了一个类似级联的两步流程：先用商业超滤膜进行预处理，去除部分大分子和污染物，再用 PLIM 膜进一步筛分。
这样处理后，渗透液几乎只包含分子量小于 200 g mol⁻¹ 的轻质烃类。按碳数看，C5-C10 组分从预处理液中的 30.9% 富集到 72.9%；C10-C15 降到 26.4%；C15 以上几乎完全被排除，低于 0.1%。这与之前的高分子膜只能对原油做大致分类不同，PLIM 膜实现了对特定碳数 C15 以上的完全筛分，过滤出了航空煤油级馏段。
不过，这一流程的通量仍然不高，约为 0.004L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹。江志伟也坦率指出，这与高渗透压、浓差极化和膜污染有关。换言之，如果直接处理真实原油，距离大规模工业应用仍有距离。他认为，现实路径可能不是一张膜直接取代整个精馏塔，而是通过预处理和多级膜组合，逐步建立可行工艺。
除了真实原油，研究还测试了石脑油。石脑油是炼厂第一次精馏得到的产品之一，沸点低于 200℃，分子量低于 170g mol⁻¹，分子分布比原油窄、粘度更低、且没有杂质，更适合作为目标分离体系。
在单级过滤中，PLIM 膜将 C6 以下轻组分从 48% 富集到 79%，得到 C4-C6 轻石脑油，可用于异构化、提高汽油辛烷值；截留侧则保留 C6-C12 重石脑油，可用于蒸汽裂解，生产乙烯、丙烯等基础化工原料。
更重要的是，PLIM 膜在石脑油中的通量达到 0.5 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，比预处理原油高两个数量级，接近商用海水淡化反渗透膜的水平。
从科学突破到产业应用，还有哪些关口？
总的来说，PLIM 的优势很清楚，通过原位锁孔解决了 PIM 在烃类液体中溶胀和选择性差的核心问题。它不仅在模型体系中表现优异，也进入真实原油和石脑油测试，还展示了卷对卷制备和组件稳定性。
但目前的局限性仍不可忽略。
第一，真实原油体系的通量仍然偏低。即使经过预处理，通量也只有 0.004L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹。这意味着若要处理大流量原油，需要更高通量、更强的抗污染能力，或更合理的工艺集成。
第二，当前制备仍使用氯仿。论文最后也指出，商业化需要探索绿色溶剂替代，例如 2-甲基四氢呋喃。
第三，若要真正接近精馏功能，必须开发一系列不同孔径和不同选择性的膜，组成多级“膜火车”，而不是依赖单一膜完成所有分离。
“膜火车”是江志伟在接受采访时提到的一个形象概念。
传统精馏塔是在不同温度下提取出不同碳数的馏段。若膜分离要真正接近或取代这一过程，就不能只有一张膜，而需要一组具有不同孔径或化学结构的膜，串联成多级系统。
“第一节车厢筛分出来的轻组分进入第二节车厢继续分离，第一节车厢筛分出来的重组分，理论上就是我们需要的油品。”江志伟形象地比喻道，“比如第一节车厢出来的是沥青，第二节车厢出来的是润滑油，第三节车厢出来的是柴油，以此类推。”
在这个设想中，越往前走，组分越轻，直到分离出石脑油和汽油。与精馏中轻组分“往上跑”不同，膜火车中轻组分是“往前跑”。
这也正是江志伟团队目前在南洋理工大学攻关的方向，“我们已经开发出了 PLIM 的迭代升级产品，初步的结果非常不错，”他介绍道，“我们希望能尽快让 PLIM 的这辆‘膜火车’跑起来。”江志伟信心满满。他已经在筹备建立公司，搭建示范平台，向炼化厂、石油公司和下游客户展示多级膜分离的可能性。
在他看来，如果膜分离未来能够大规模进入炼化行业，其意义可能类似反渗透膜取代海水淡化蒸馏技术。“这将会是一场产业革命。”江志伟说，“它不再依赖污染性高、能耗高、碳排高的精馏技术，而是转向一种更节能、更环保、更便宜的膜技术。”
1.science.org/doi/10.1126/science.aed1111
运营/排版：何晨龙
注：封面/首图由 AI 辅助生成
阳美网官网提示：文章来自网络，不代表本站观点。
