南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授顧學(xué)紅制備出了一種高性能天然氣脫碳分子篩膜，為實(shí)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(diào)控實(shí)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(xué)博士生杜鵬表示，當(dāng)前市場上胺吸收法脫碳工藝雖比較成熟，但是通過對有機(jī)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(jī)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(guān)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?fù)P其‘長’避其‘短’?！闭撐墓餐谝蛔髡?、南京工業(yè)大學(xué)教授王學(xué)瑞說，沸石分子篩膜是一類無機(jī)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(xué)紅介紹道，譬如篩豆子時將大顆粒的留存篩內(nèi)，小顆粒的漏至容器達(dá)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(shí)現(xiàn)大小不同的氣體分子篩分。團(tuán)隊(duì)制備的分子篩膜孔徑為0.36納米，介于動力學(xué)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(shí)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(nèi)?！蓖鯇W(xué)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(dǎo)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(diào)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(yuǎn)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(xué)副教授張玉亭介紹，此方法具有很強(qiáng)的普適性。除DD3R分子篩膜以外，團(tuán)隊(duì)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(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，助力碳達(dá)峰、碳中和雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。
