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研究人员列出改变世界的七种化学分离

2019-05-06 15:51:59来源:

现在,基于热的工业化学分离工艺(如蒸馏)占世界年能耗的10%至15%。因此,通过改进技术来生产燃料,塑料,食品和其他减少能源投入的产品,从而消除全球对能源的需求。

在4月26日发表在“ 自然 ”杂志上的一篇评论文章中,佐治亚理工学院的两位研究人员提出了七种能源密集型分离过程,他们认为这些过程应该成为研究低能净化技术的首要目标。除了减少能源使用之外,从混合物中分离化学品的改进技术还可以减少污染,减少二氧化碳排放 - 并开辟获取世界所需关键资源的新途径。

作者指出,适用于这些分离过程的技术处于不同的发展阶段。这些替代工艺现在尚未开发或扩大规模,并且使其可用于大规模使用可能需要在研究和开发方面进行大量投资。

“我们希望强调世界上有多少能源被用于化学分离,并指出一些领域可能通过扩大这些领域的研究来取得巨大进步,”David Sholl说道,该文章的作者之一兼乔治亚理工学院主席化学与生物分子工程学院。“对于大多数人来说,这些过程基本上是不可见的,但是在能源和环境方面都有很大的潜在回报 - 用于在这些领域开发改进的分离过程。”

在美国,用石油,化学和造纸制造部门代替非热能方法来净化化学品可以每年减少40亿美元的能源成本。每年还有可能减少1亿吨的二氧化碳排放量。

“化学分离占美国所有工业能源使用量的一半左右,”佐治亚理工学院化学与生物分子工程学院助理教授Ryan Lively指出,该文章的第二作者。“开发不使用热量的替代品可以显着提高我们现在使用的80%分离过程的效率。”

被列为“改变世界的七种化学分离”,该清单并非详尽无遗,但包括:

原油中的碳氢化合物。原油中的碳氢化合物是制造燃料,塑料和聚合物的主要成分 - 这是世界消费经济的关键。文章指出,世界各地的炼油厂每天处理约9000万桶原油,大多采用常压蒸馏工艺,每年消耗约230千兆瓦的能量,相当于英国2014年的总能耗。蒸馏包括加热油,然后捕获不同的化合物,因为它们在不同的沸点蒸发。寻找替代品很困难,因为油在化学上是复杂的,必须保持在高温下以保持厚原油流动。

海水中的铀。核电可以在不增加碳排放的情况下提供额外的电力,但世界上的铀燃料储备有限。然而,海水中存在超过40亿吨的元素。在现有技术中,铀和钴等金属与铀一起被捕获,使铀与海水分离变得复杂。从海水中获取铀的过程已经在小规模上得到证明,但是这些过程必须在它们能够为扩大核电做出重大贡献之前加以扩大。

来自烷烃的烯烃。某些塑料的生产需要烯烃 - 乙烷和丙烯等碳氢化合物,其年产量超过2亿吨。例如,乙烯与乙烷的分离通常需要在低温下进行高压低温蒸馏。使用膜和蒸馏相结合的混合分离技术可以将能源消耗减少两到三倍,但是在一个化工厂可能需要大量的膜材料 - 规模达到一百万平方米 - 起来。

来自稀释排放的温室气体。二氧化碳和甲烷等碳氢化合物的排放有助于全球气候变化。可以使用液态胺材料从稀释源(例如发电厂排放)中去除这些化合物,但是从该材料中去除二氧化碳需要加热。需要成本较低的去除二氧化碳的方法。

来自矿石的稀土金属。稀土元素用于磁铁,催化剂和高效照明。尽管这些材料并不罕见,但难以获得这些材料,因为它们存在微量,必须使用复杂的机械和化学过程与矿石分离。

苯衍生物彼此相互作用。苯及其衍生物对于生产许多聚合物,塑料,纤维,溶剂和燃料添加剂至关重要。现在使用蒸馏塔分离这些分子,每年的能量使用量约为50千兆瓦。膜或吸附剂的进步可以显着减少这种能源投资。

跟踪水中的污染物。海水淡化对于满足世界某些地区对淡水的需求至关重要,但无论是使用膜还是蒸馏工艺,这一过程都是能源和资本密集型的​​。开发更具生产力和抗污垢的膜可以降低成本。

Sholl和Lively通过建议学术研究人员和政策制定者可以采取的四个步骤来帮助扩大非热分离技术的使用,从而总结了该论文:

在研究中,考虑现实的化学混合物并反映现实世界的条件,

评估任何分离技术的经济性和可持续性,

考虑必须为工业部署技术的规模,以及

进一步让化学工程师和化学家接受培训,不需要蒸馏的分离技术。