提纯化学物质需要大量的能源，如果将这些能源供给石油、化学和造纸工业任何一项上，每年都能减少1亿吨二氧化碳的排放，并且每年能够节省40亿美元的能源成本。选择适当的提纯方法和寻找新型的能源，将大大节省全球经济成本，获取更大的效益。

目前，大多数工业化学家将他们的精力花在分离提纯大量的化学混合物上，蒸馏工艺是分离提纯的一项主要手段。提纯化学物质需要大量的能源，如果将这些能源供给石油、化学和造纸工业任何一项上，每年都能减少1亿吨二氧化碳的排放，并且每年能够节省40亿美元的能源成本。选择适当的提纯方法和寻找新型的能源，将大大节省全球经济成本，获取更大的效益。下面列举出了七大化学物质的分离过程，改良和提高这样的分离过程，将会带来难以估量的效益。

一、原油中分离烃类

原油是化工燃料、塑料制品和某些聚合物主要成分的来源，全球的炼油厂每天要处理约9000万桶原油，人均消耗大概是2升。这些原油中大部分是通过常压蒸馏法来处理，这种分离法每年要消耗全球230千兆瓦的能量供给，等同于2014年英国全部的能源消耗量或美国德克萨斯州一半的消耗额。在一个典型的炼油厂，每天会有20万桶原油被加热处理，根据沸点的不同，会释放出千余种化合物，它们有着复杂的分子构成，一些具有较大的粘度，一些是污染物，还有一些是金属（如汞、镍等），所以说找到一种能够替代蒸馏操作的方法是很困难的，而原则上，根据烃类的分子性能，诸如化学吸引力或分子大小来分离烃类是可行的。基于膜分离法或者其他非热能的方法比蒸馏法会更高效，但是却没有更进一步的研究。在这方面，研究人员致力于寻找能够同时分离出多种同系物的材料，而且这种材料在高温下也能工作（高温是为了保持厚厚油层的滚动，以便不被污染物阻塞）。

二、海水炼铀

在碳能源稀缺的未来，原子核能将成为关键能源。依照现在的消耗指数，已知的地质铀储备量（约450万吨）能够用一个世纪，而在海水中有超过40亿吨的铀存在。科学家致力于海水炼铀已有10年，发现了能够捕获铀的物质，如带有偕胺肟基的多孔高分子聚合物，但问题是这种物质不仅能捕获铀，也能捕获包括钒、钴在内的其他金属。化学研究者需要探索海水炼铀纯化过程中如何移除其他的金属物质，而这些金属物质也能够被用在其他的方面，成为新的能源来源。

三、烷烃制烯烃

工业塑料如聚乙烯塑料、聚丙烯塑料的生产都需要烯烃，乙烯和丙烯都是很有名的烯烃，全球每年乙烯和丙烯的产量多达1亿吨，人均30千克。工业上从乙烷中获取乙烯，最典型的操作就是依赖于低温、高压蒸馏，温度低至-160℃。单独提纯乙烯和丙烯占据了全球能源消耗的0.3%，大约相当于新加坡的年均能源消耗，由此观之，提纯技术的提高势在必行。

四、从稀薄气体中分离温室效应气体

人为的二氧化碳排放和其他碳氢化合物的排放是造成温室效应、全球气候变化的主要原因，这些气体主要来源于发电站、冶炼厂等。捕获这些气体不仅花费巨大，也是一项技术难题。诸如乙醇胺这种液体，一旦接触二氧化碳，会立刻与其反应，而分离二氧化碳的过程，需要热量供给，这个过程对于发电厂来说，在经济上是不可行的。假如这种方法应用在美国所有的发电站，移除二氧化碳的消耗将占国家生产总额的30%，寻求一种更经济的方法至关重要。

五、矿石中分离稀土金属

稀土金属，包括15种镧系金属在内常被用做磁铁，或者是应用于可再生能源技术中，或者在石油加工过程中作为催化剂。这类金属与金、银、铂等金属相比，虽然大多数听起来在地壳中都大量存在，但其存在形态的现状又让人遗憾，它们被发现存在于矿石中，而且又因为化学性质的相似性，彼此互相混在一起。这使得其分离过程愈加复杂，既需要机械的参与，又需要化学过程的加入。这些手段所面临的是具有复杂组分的各种矿石和大量的化学试剂，过程中又会产生大量的废弃物和放射性物质，如何平衡危害和稀土金属获取的状况也是一大难题。此外，如何对对稀土金属进行回收利用也有待考究。

六、苯衍生物的相互分离

许多聚合物，如塑料、纤维、溶剂和燃料添加剂的供应依赖于苯、环状碳氢化合物，以及苯的衍生物如甲苯、乙苯和二甲苯异构体，这些分子的分离过程是在蒸馏塔中进行的，进行这样的分离工作大约需要50GW的全球能源消耗，这足以供应大约4000万个家庭。某些异构体的分离难度，又会加大对能源的需求。接受挑战、寻求新的解决途径将会是研究者持续探索的又一科研难题。

七、分离水中的微量污染物

针对越来越多的水体污染问题，有效的解决方案亟待提出。海水淡化，作为水资源利用的一大领域，其过程无论是通过蒸馏还是膜分离的过程，都需要大量的能源和资本消耗，而且在过程中还会产生大量的污染水体、颗粒沉积，这就意味着要大量的资金投入到预处理过程当中。找到一条合理的解决途径，充分利用水资源，这必将造福人类社会。

综上所述，如何解决这样的一系列问题，降低对热能的依赖，将会是人类社会的一大挑战，同时这也为政策的制定者和科学研究工程人员提供了一个关注的方向。全面协调和配置资源、解决能源过度消耗、提高全民经济，需要各界人士共同呼吁，共同探索。

(作者：杨海成)

参考文献：Nature 2016;532:435-437