用于化学分离的沸石膜

石油不仅仅是一种燃料，它还是一种复杂的化学混合物。这就是为什么它是制药和塑料制造中许多基本化学物质的丰富来源。然而，分离这些不同化学物质的蒸馏过程是非常耗能的。早稻田大学纳米生命创新研究组织的Motomu Sakai博士正在开发一种用于化学分离的蒸馏替代方法。他的沸石膜能够以优异的选择性分离几种最重要的化学原料。

石油是一个非常丰富的碳氢化合物来源。除了其提炼成燃料的价值外，世界上石油使用的很大一部分是用于提炼和分离化学原料的化学物质。这些原料可以用于进一步的化学加工，以生产高价值产品，如塑料、药品和其他工业化学品。

石油分离成这些不同的化学物质涉及一种称为蒸馏的过程。在蒸馏中，将石油加热至超过600度，直至开始沸腾。当沸腾时，蒸汽被释放到温度梯度上保持的长柱。靠近沸腾石油的柱的底部是最热的，顶部是最酷的部分。随着蒸汽上升，它开始冷却，并且当它到达温度等于蒸汽中一些化学物质的沸点的柱的区域时，它们将开始凝结成液体并耗尽到收集中托盘。用于石油的蒸馏技术是用于纯化威士忌和龙舌兰酒等醇的相同方法。

蒸馏可以分离不同的化合物，因为每种化合物都有一个独特的沸点，这个沸点与其原子的结构排列有关，较大的化合物通常具有较高的沸点。虽然蒸馏的分离能力很好，但要使石油保持在高温下有足够的时间蒸发、冷凝和收集所需的化合物，却是难以置信的能源密集型。

这就是为什么早稻田大学纳米生命创新研究组织的Motomu Sakai博士提出了一种替代方法来分离石油中的化学物质。他并没有试图使蒸馏更节能，而是在推动一种不同的方法，使用沸石膜来分离感兴趣的化学物质。利用他的专业知识，以这种方式为化学分离创造定制沸石，有潜力提供巨大的能源节约，同时仍是一种具有良好效率的选择性方法。

有可能提供巨大的节能，同时留下良好效率的选择性方法。

沸石陷阱
沸石是一种广泛的材料，由铝和硅制成，具有非常特殊的结构。原子在沸石中的排列是这样的，原子之间存在着小空间、口袋和通道，使它们具有多孔性。在这些小而空的口袋里，沸石可以在其结构中捕获小的离子物种，使它们成为高效的吸附剂和催化剂。这些狭长的通道状网状口袋意味着气体或液体样品可以通过它们，它们就像一个筛子，过滤掉任何感兴趣的化学物质。这种捕获能力意味着沸石经常被用于水处理，因为它们可以帮助去除影响水的味道或安全的小分子。

虽然沸石确实是自然产生的，但它们不是特别常见，所以大多数沸石是合成的。在合成过程中，沸石的性能可以根据具体的应用而调整，例如，可以改变孔隙的大小来捕获更大或更小的分子。在Sakai博士的案例中，他和他的合作者Matsukata教授一起，对分子筛的化学成分和结构进行了调整，以制造出高精度的化学筛，只捕获它们设计的目标化学物种。

过滤墙
膜是一种只允许某些物种通过的选择性屏障。我们的大部分细胞都被保护膜壁包围着，这些保护膜壁控制着什么物质进出细胞内部结构。在保持细胞完整的同时，细胞膜扮演着一个化学筛的角色，因此细胞中的离子浓缩物保持平衡，这些细胞膜在维持细胞的健康和功能方面发挥着关键作用。

Sakai博士的目标是使用他的沸石作为化学选择性膜的一部分，而不是为细胞进行这一点，他有兴趣将这个想法应用于石化改进。用沸石膜的特定化学物质模拟细胞的非常高的选择性是由于石化原料的提取化学物质必须非常纯粹用于制造聚合物。甚至痕量的不需要的化学物质均可引起聚合过程的问题，对所制造的材料的最终塑料的性能产生负面影响。

Sakai博士的工作也在提供重要的见解，这些沸石种类通过其达到高分离效率的机制。

已经证明合成聚合物膜能够彼此分离不同的烯烃。烯烃（含有强碳 - 碳双键的烃类）是最广泛使用的化学原料之一，特别是对于塑料制造。这些聚合物膜已经能够通过将银掺入聚合物膜中来达到烯烃的高结合亲和力，这对特定于烯烃中的化学键具有很强的亲和力。这就是这些膜是如何能够实现优异的选择性。

沸石膜
Sakai博士一直利用他在他的定制银沸石膜中的银中的烯烯结合力。这些是沸石，银掺入它们的结构中以改善它们对烯烃的亲和力。对于丙烷和丙烯的分离，烷烃/烯烃混合物，Sakai的沸石博士显示出非常高的分离效率。这是因为，当混合物通过沸石时，优先结合丙烯并阻止剩余丙烷的渗透。亲和力后，只有附着的丙烯可以通过膜，然后用作高纯度化学原料。除了开发有用的沸石膜，Sakai博士的作品也在提供重要的见解，这些沸石种类通过其高分性效率实现的机制。

沸石膜在乙烷和乙烯这两种较轻的碳氢化合物的分离中也显示出类似的有前途的结果。再一次,非常高的分离效率意味着这些膜的使用显示了巨大的希望,取代蒸馏提取的原料化学品和模拟组中也表现表明,分离的水平可以实现通过使用这样的沸石与蒸馏,但温度和能源成本要低得多。

通过对沸石膜的精心设计和研究，Sakai博士的化学分离替代方法将有助于减少与化学提纯相关的巨大能量消耗。不仅如此，分子筛膜的化学坚固性意味着它们在分离过程中可能有很长的工作寿命，并且能够抵抗其他化学物质的侵蚀或降解，因此不需要频繁更换。