南洋理工科学家打造“锁孔”超薄膜，炼油或迎来低能耗新路径

原油经过精馏，能分离出汽油、石脑油、煤油、柴油、润滑油、沥青等产品。这套工艺支撑现代社会运转已超百年，但背后的代价是高能耗和高碳排放。

从数据来看，全球石化行业的碳排放约占总排放量的1%；而在整个工业领域，炼化环节的能耗和碳排放占比高达15%到20%。以新加坡为例，作为东南亚的炼油重镇，其炼化相关的能耗和碳排放，能占到全国工业能耗与碳排放的三分之一。

所以，行业一直在寻找更节能的方案来替代现有的精馏技术。最近，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《科学》杂志上发表了一项新成果——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）。这种材料分子链刚性强、结构扭曲，天生自带大量亚纳米级的连通微孔，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），在制膜的同时让PIM原本扭曲的微孔结构“锁死”，使膜在复杂的烃类液体中既能保持亚纳米尺度的筛分孔道，又能维持较高的通量。

“膜的优势在于它不需要热能，不需要相转换。”该研究的通讯作者、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，把油从液相变成气相，再冷凝回液相。”

在原油分离测试中，这种膜可以去除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以下的轻组分从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。

更关键的是，这项工作没有停留在实验室的小片膜阶段。研究团队已经通过卷对卷工艺制备出大面积膜片，并做出了有效膜面积约900平方厘米的螺旋卷式膜组件，在模拟原油体系中连续运行30天，表现依然稳定。

这也是江志伟反复强调的一点：膜分离如果要真正走进炼化产业，不能只停留在材料研发的层面，必须回答放大、组件、稳定性和真实油品测试这些终极问题。

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读完博士并完成博士后研究后，加入了一家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全过程。2025年8月，他回归学术界，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，”江志伟说，“博后期间又转换赛道去开发原油分离膜，挑战更大了。”

海水淡化也曾以蒸馏技术为主，但现在，反渗透膜占据了近90%的市场份额。海水淡化中，主要组分就是水和盐，目标非常明确：尽可能让水通过，把盐和其他杂质截留下来。相比之下，原油里有成千上万种组分。

“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，再重一些就可以做沥青。”

这意味着原油分离不是简单地把某一种物质从混合物里拿出来，而是要按碳数和用途，把连续分布的烃类组分切成不同的馏段。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，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分类，富集出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，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）。它骨架非常刚硬，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，如果要把PIM制成工业所需的超薄膜，问题会更加明显。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。这是因为原本由链段堆积形成的微孔减少了，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的筛分特征。

为了解决这些问题，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，导致流速大幅降低；或者，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与交联加固同时发生，结果交联的是已经溶胀的大孔，选择性大打折扣。

江志伟团队跳出了“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。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。

图 | PLIM薄膜的制备（来源：上述论文）

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15-300纳米的PLIM膜。由于高分子链段被锁定，它们在烃类液体中的蠕动得到了有效抑制。即使把厚度降低到PIM类膜前所未有的15纳米，PLIM膜的微孔依然不会坍塌，膜渗透性保持恒定，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，包含九种代表性组分，可以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：大分子如异十六烷更容易被截留，对芳香族和环烷烃也表现出不同的选择性。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5米乘0.3米的膜片，并加工成工业标准的螺旋卷式膜组件，有效膜面积约900平方厘米。在30天的模拟原油测试中，该组件的表现与实验室小片膜接近。

（来源：上述论文）

接下来是最接近真实应用的测试。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0.004 L 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。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，可行的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170 g 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，也进入了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。

但目前的局限性仍然不可忽视。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0.004 L 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，或者更合理的工艺集成。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”是江志伟在采访中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。”江志伟解释说，“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。我们希望能尽快让PLIM的这辆‘膜火车’跑起来。”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