研究新知
◎經過AI驗證的新型聚合物薄膜能大幅減少煉油的能耗
全球每天約有1億桶原油在各地的煉油廠中進行分餾，主要透過熱蒸餾的方式進行，儘管蒸餾能對各種沸點的分子具有高回收率，但它是能源密集型的產業，每年需要超過1,100兆瓦小時，幾乎佔全球能源使用量的1%。喬治亞理工學院(Georgia Tech)的Rampi Ramprasad、Ryan Lively和MG Finn三位教授的研究團隊創造了一種新型聚合物薄膜，用於將原油分離成有用成份，這種膜可以大幅減少初始分離所需的能源和水。同時，他們還使用機器學習演算法和質量傳輸模擬來預測聚合物膜在複雜分離中的性能，可以加速新聚合物薄膜的開發，他們的研究成果發表在《Nature Communications》中。
Rampi Ramprasad、Ryan Lively和MG Finn三位教授合影。
如果煉油程序與低能膜分離技術結合，將含有數千種化合物的複雜混合物分餾成更小的分子團，則可以提高蒸餾能量和碳效率。利用分子尺寸、形狀和膜滲透相互作用的膜分離有可能使能源效率提高10倍。目前，海水逆滲透系統處理的液體流量比最大的煉油廠還要大，凸顯了薄膜技術滿足碳氫化合物加工產業所需規模的潛力。雖然膜技術是為某些水和氣體分離而建立的，但它們尚未開發用於有機溶劑混合物的分餾，因為易於加工、廉價且穩定的有效材料相對缺乏。
來自喬治亞理工學院與埃克森美孚公司的研究人員已經證明基於螺環的聚合物薄膜(spirocyclic-based polymer membranes)能夠去除原油中富含芳香族化合物的小組分，交聯聚合物網絡以良好的通量和選擇性展現分離輕質和重質原油的能力。當與用於碳氫化合物分離的現有分離技術(例如蒸餾)混用時，這種類型的分餾(或分裂)很有吸引力，並且有可能達到生物基複雜混合物(例如生物原油、粗妥爾油等)的分餾。
7,7'-dibromo-2,2',3,3'-tetramethoxy-9,9'-spirobifluorene與二胺I至IV聚合得到SBAD類材料模組化反應方案、孔隙率計算模擬、粉末物理吸附、液體吸附和光譜特性。
此種新型DUCKY聚合物具有螺環單體的結構單元，這些單體以具有大量90°轉彎的鏈組裝在一起，形成一種不易壓縮的扭結材料，並且包含選擇性結合併允許所需分子通過的孔。這些聚合物不是剛性的，這意味著它們更容易大量生產。它們還具有良好控制的靈活性或移動性，允許正確的過濾結構的孔隨著時間的推移而變化。DUCKY聚合物是獲得2022年諾貝爾化學獎的點擊化學(click chemistry)反應家族的一員，聚合物也因此得名。此反應稱為銅催化疊氮化物-炔環加成反應，縮寫為CuAAC，發音為「quack」。DUCKY聚合物由於其獨特的組合使它們新穎而有效。
用於原油初始分離的新型DUCKY聚合物薄膜。
新聚合物材料的合成以及後續的滲透性和選擇性測試是一個耗時、昂貴且不完整的過程，可能會錯過高性能候選材料，目前還沒有針對聚合物薄膜化學的有效且準確的氣體滲透率預測模型。喬治亞理工學院與埃克森美孚公司的研究人員使用機器學習演算法和質量傳輸模擬來預測聚合物膜在複雜分離中的性能。
使用SBAD-1薄膜複合材料的合成與實際原油分離性能。
機器學習(ML)是一種以數據為中心的方法，透過學習聚合物化學的功能模型可預測聚合物特性，包括玻璃化轉變溫度、導熱率、介電常數、有機光伏特性、傳輸特性和氣體滲透率等。複雜的機器學習技術現在在許多科學和工程領域蓬勃發展，促進創新材料的加速研究，例如：Polymer Genome (http://www.polymergenome.org)網路平台，提供可公開存取的預測ML模型，用於氣體滲透性/選擇性、溶劑溶解度以及應用相關的性質。ML模型採用最先進的指紋辨識方法，捕捉聚合物化學並將其轉換為數學機器可讀形式，然後使用各種學習演算法將其映射到性質上。這種預測能力可以進一步用於新聚合物結構的設計，以滿足目標性能(例如：滲透性和選擇性)和性能需求。
聚合物結構和溶劑混合物被轉換為簡化的分子輸入線輸入系統(SMILES)字串，並用作機器學習演算法的輸入，將聚合物-溶劑結構與聚合物膜內的溶劑擴散率(D)和溶解度(S)連結。
準確估計聚合物內溶劑的溶解度和擴散率對於預測溶劑通過聚合物薄膜的滲透性是必要的。將基於物理的機器學習演算法和質量傳遞模擬結合起來，可建立一個整合的預測模型，透過任意線性聚合物膜分離多達400種成分的複雜混合物，以兩種原油的分離度結果顯示，AI模型的預測與實際測量值的誤差在6-7%以內，證明了模型的有效性，未來將聚合物物理及其自由體積納入傳輸框架的模型應該會提高模型精度，進而更精準地預估聚合物膜的分離性能。
資料來源：
1.https://www.filtnews.com/new-polymer-membranes-proven-with-ai/
2.https://www.materialstoday.com/polymers-soft-materials/news/ducky-polymers-processing-crude-oil/
3.https://www.nature.com/articles/s41467-023-40257-2
4.https://www.science.org/doi/10.1126/science.aba9806
台灣過濾與分離學會 Taiwan Filtration and Separations Society
