摘要：在当今全球能源转型的背景下，石油精炼行业正从传统的以燃料为中心的运营模式向可持续的化工生产范式转变。然而，这一工业转型面临着关键的能源和效率限制。传统的精炼过程，尤其是能源密集型的蒸馏过程，占据了全球工业能源消耗的一半，并产生了大量的二氧化碳排放。因此，开发一

基于此，苏州科技大学张庚武教授、阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）Niveen M. Khashab教授、浦项科技大学Kimoon Kim教授等人合作提出了一种利用CB[7]水溶液进行分子筛分的策略，实现了从原油中直接提取环己烷（CH）。该研究以“Selective and sustainable separation of hydrocarbons from crude oil via molecular sieve”为题，发表在《Nature Sustainability》期刊上。

张庚武，苏州科技大学教授，2012年本科毕业于郑州大学；2017年博士毕业于中国科学院化学研究所，导师：陈传峰研究员(国家杰青)/黄志镗院士；2017-2022年于阿卜杜拉国王科技大学从事博士后研究，合作导师：Niveen M. Khashab教授；2022-2024年于阿卜杜拉国王科技大学任研究员；2025年1月加入苏州科技大学任教授。主要研究兴趣包括超分子功能材料的合成，及其在绿色低碳分离、水处理、化学传感、智能响应材料、储能等领域的应用。已在Nat. Sustain.,JACS, CHEM, Angew. Chem. Int. Ed.，Acc. Chem. Res.等杂志发表论文20余篇。

1. 通过CB[7]的形状和尺寸选择性结合，有效改善了对环己烷的亲和力，显著提高了CH的分离效率。

2. 与传统工业方法相比，该方法在室温和常压下操作，实现了57.4%到82.4%的能源节省。

3. 在工业样品中实现了>99%的CH纯度，展示了该方法在实际应用中的潜力。

图1 原油分离

图1对比了传统的原油分离方法与本研究提出的基于CB[7]的分子筛分策略。传统方法主要包括多步蒸馏（a）和膜分离（b），这些方法虽然能够初步分离轻质烃类，但由于原油成分复杂，难以实现特定烃类的高效分离，且能耗较高。相比之下，本研究提出的液-液萃取方法（c）利用CB[7]水溶液直接从原油中分离环己烷（CH）。CB[7]凭借其独特的形状和尺寸选择性，能够高效结合环己烷，实现高纯度分离。这一方法不仅操作简单，且在室温和常压下即可完成，显著降低了能源消耗，为原油中高价值烃类的可持续分离提供了一种创新且高效的解决方案。

图2 通过液-液萃取分离原油

图2展示了利用CB[7]水溶液从原油中分离环己烷（CH）、甲基环己烷（MCH）和甲基环戊烷（MCP）的过程。实验中，将阿拉伯原油样品与5.0 mM的CB[7]水溶液等体积混合，通过搅拌实现选择性萃取。结果显示，CH、MCH和MCP在水相中的摩尔比为60.3:16.5:17.1，与原油中初始含量相比，CH的浓度增加了105倍，表明了CB[7]对环烃的高效选择性分离能力。

此外，通过二维气相色谱（GC×GC）分析确认，分离后水相中未检测到其他物质，进一步证实了分离的高选择性。实验还测试了该体系在酸性（pH=1）、碱性（pH=14）和高盐度（1.0 mol/L NaCl）条件下的分离效果，结果表明，即使在这些苛刻条件下，CB[7]仍能保持较高的分离效率，尤其是在高碱性和酸性条件下对CH的选择性更高。这一结果表明，CB[7]基分离技术不仅高效，而且具有良好的化学稳定性，适用于复杂的工业环境。

图3 工业样品分离过程中烃类的相对比例及能耗

图3展示了利用CB[7]的筛分技术在工业样品中分离环己烷（CH）的实际应用效果。图3a和b展示了从50/50（体积比）的苯/环己烷混合物和82.5%环己烷原油馏分中分离环己烷的结果。

实验表明，通过单次萃取，从苯/环己烷混合物中分离得到的环己烷纯度超过99.6%，而从82.5%环己烷原油馏分中分离得到的环己烷纯度达到99.1%。这些结果显著优于传统工业方法，如直接蒸馏和萃取蒸馏。图3c和d进一步比较了CB[7]筛分技术与传统工业方法（萃取蒸馏）在能源消耗方面的差异。对于苯/环己烷混合物和环己烷原油馏分的分离，CB[7]技术分别实现了57.4%和82.4%的能源节省。

此外，与当前工业生产环己烷的两种主要方法（苯加氢和原油蒸馏）相比，该技术直接从原油中分离出99%纯度的环己烷，能源节省达到43.0%到75.7%。这表明，CB[7]筛分技术不仅在分离效率上具有显著优势，还在能源消耗方面表现出巨大的节能潜力，为工业上可持续的烃类分离提供了一种高效、环保的新途径。

图4 烃类与CB之间的主客体络合

图4展示了CB[7]与不同烃类之间的主客体复合物形成及其结合常数的测定结果。通过荧光竞争滴定实验，研究团队分析了CB[7]与环己烷（CH）、甲基环己烷（MCH）、甲基环戊烷（MCP）以及其他芳香烃的结合能力。实验中使用了荧光染料伯柏碱（BC）作为竞争配体，通过监测荧光强度的变化来计算CB[7]与烃类的结合常数。

图4a展示了荧光强度随CB[7]浓度增加的变化曲线，其中环己烷与CB[7]展现出较强的结合能。图4b总结了不同烃类与CB[7]的结合常数，结果显示环烃（如CH、MCH和MCP）与CB[7]的结合亲和力明显高于其他类型的烃类。图4c进一步分析了结合常数，发现环己烷在所有烃类中具有最高的值，这表明其在水相中与CB[7]形成复合物的能力最强。图4d则分析了烃类在原油中的含量，结果显示环己烷、甲基环己烷和甲基环戊烷在原油中具有最高的结合常数，进一步证实了CB[7]对这些环烃的选择性分离能力。

图5 单晶结构分析

图5a和5b展示了CH@CB[7]的单晶结构，其中环己烷分子以两种不同的取向存在于CB[7]的空腔中：一个环己烷分子水平分布在空腔内，另一个则以62°的角度倾斜。这两种取向的环己烷分子均处于能量最低的椅式构象，完美地契合在CB[7]的疏水空腔中。图5c和5d展示了MCH@CB[7]的单晶结构，图5e和5f展示了MCP@CB[7]的单晶结构。在这些结构中，烃类分子同样以最低能量构象存在于CB[7]的空腔内。

这些结构分析表明，环烃的球形结构使其能够更好地适应CB[7]的球形空腔，从而实现高效的主客体结合。这些单晶结构不仅揭示了CB[7]与环烃之间的强结合力，还解释了为何环烃在水相中与CB[7]的结合亲和力高于其他类型的烃类。这些发现为CB[7]在原油分离中的高效选择性提供了直接的结构证据，进一步支持了其在可持续烃类分离中的应用潜力。

本研究通过引入CB[7]的筛分策略，为从原油中高效、可持续地分离高价值烃类提供了一种新的方法。该方法不仅在实验室中取得了显著的分离效果，还在工业样品中展示了其实际应用潜力。通过实现高纯度环己烷的直接提取和显著的能源节省，该研究为石油化工行业的可持续发展提供了新的思路。未来的工作将集中在扩大CB[7]合成的规模、优化溶剂回收系统，并探索将该技术应用于其他高价值烃类的分离，以进一步推动原油的可持续利用。

Selective and sustainable separation of hydrocarbons from crude oil via molecular sieve. Nature Sustainability, https://doi.org/10.1038/s41893-025-01563-3.

来源：朱老师讲VASP