南京工業(yè)大學材料化學工程國家重點實驗室教授顧學紅制備出了一種高性能天然氣脫碳分子篩膜，為實現(xiàn)二氧化碳和甲烷的高效分離提供幫助。日前，這一研究成果以《沸石分子篩骨架柔性調控實現(xiàn)超高選擇性二氧化碳分離》為題，刊發(fā)于《自然—通訊》。
論文共同第一作者、南京工業(yè)大學博士生杜鵬表示，當前市場上胺吸收法脫碳工藝雖比較成熟，但是通過對有機胺吸收液加熱來釋放二氧化碳的工藝，一方面增加了能耗，另一方面損失的有機胺也會污染環(huán)境。因而，用于天然氣脫碳的聚合物膜很受市場關注，但聚合物膜脫碳時產(chǎn)品甲烷損失高，且材料在高二氧化碳濃度下容易發(fā)生塑化，影響脫碳效果。
“較之聚合物膜來說，沸石分子篩膜有效地揚其‘長’避其‘短’。”論文共同第一作者、南京工業(yè)大學教授王學瑞說，沸石分子篩膜是一類無機膜材料，孔徑均一、分離性能和穩(wěn)定性高。
“分子篩膜孔道規(guī)整，是一張完美的篩網(wǎng)，分離自如。”顧學紅介紹道，譬如篩豆子時將大顆粒的留存篩內，小顆粒的漏至容器達到分離一樣，沸石分子篩膜也制作了一張“特殊”的篩網(wǎng)，以通過網(wǎng)洞的大小實現(xiàn)大小不同的氣體分子篩分。團隊制備的分子篩膜孔徑為0.36納米，介于動力學直徑分別為0.33納米、0.38納米的二氧化碳與甲烷分子之間，因此二氧化碳可以透過膜而甲烷卻不能，以此實現(xiàn)了兩者分離。
“我們所制備的中空纖維DD3R分子篩膜最高的二氧化碳/甲烷的分離選擇性為1172，即每透過1172個二氧化碳分子僅有1個甲烷分子透過膜層，而商業(yè)聚合物膜的分離選擇性一般在50以內?！蓖鯇W瑞說，全硅型DD3R分子篩膜是理想的天然氣脫碳膜材料，但是DD3R分子篩膜在常規(guī)煅燒脫膜板劑過程中晶體膨脹，會導致膜缺陷，使得分離性能喪失。
鑒于此，課題組提出一種脫膜板劑策略，即通過快速升溫、瞬時熱解（700℃），調控DD3R分子篩骨架柔性，再在中等溫度（550℃）下連續(xù)煅燒脫除模板劑，獲得無缺陷DD3R分子篩膜，遠超現(xiàn)有同類分離膜的性能水平。
據(jù)論文共同第一作者、南京工業(yè)大學副教授張玉亭介紹，此方法具有很強的普適性。除DD3R分子篩膜以外，團隊還利用該方法制備了高性能的SSZ—13和MFI型分子篩膜，有效提升了高溫模板劑脫除階段分子篩膜的成品率，有望解決高性能分子篩膜規(guī)模化制備的難題，從而推動分子篩膜在天然氣脫碳、氫分離以及二氧化碳捕集等領域的實際應用，助力碳達峰、碳中和雙碳目標的實現(xiàn)。
