任性“膜”！只允許二氧化碳“通行”？

作者：莫尊理 呂文博

日前，最新一期國際期刊《自然·能源》報道了一國際科研團隊開發(fā)的新型膜技術(shù)，能有效利用濕度差從空氣中分離二氧化碳，這有助于治理因二氧化碳過度排放引發(fā)的環(huán)境問題。分離膜技術(shù)的發(fā)展為二氧化碳的捕獲分離提供了新途徑，可幫助人類早日實現(xiàn)碳中和目標。

膜是具有選擇性分離功能的材料，鑒于分離對象有液體和氣體，因此可分為液體分離膜與氣體分離膜。高性能二氧化碳氣體分離膜是當今工業(yè)領(lǐng)域研發(fā)的重點。氣體分離膜可用于將混合氣體中的二氧化碳分離，能選擇性地允許二氧化碳通過，并根據(jù)分子大小、形狀或親和力等因素限制其他氣體進出。

膜的材料、厚度、孔徑、壓差、滲透率，以及選擇性等因素都能影響膜的性能。含有二氧化碳的混合污染氣源往往包含硫氧化物與氮氧化物，因此需要將二氧化碳從混合氣體中選擇性分離出來，從而控制其排放含量。

氣體分離膜可由多種材料制成，包括有機聚合物、無機材料、混合基質(zhì)材料。

有機聚合物膜成本較低，可大規(guī)模制造。各種有機聚合物膜可進行二氧化碳分離，例如醋酸纖維素、聚砜、聚醚砜、聚丙烯酸酯、聚酰胺等。但要注意，有機聚合物材料耐酸性較差，當二氧化碳混合在酸性氣體中時選擇性較差，因而其濃度不應過高。它適用于處理天然氣、油田產(chǎn)生的氣體中低濃度二氧化碳的脫除和富集。

無機膜使用多孔無機材料制備，例如，沸石分子篩、二氧化硅陶瓷等。無機膜熱穩(wěn)定性更為出色，適用于分離高溫煙氣中的二氧化碳。二氧化硅陶瓷膜通常選用氧化鋁、氧化鋯、氧化鈦等作為基體，通過高溫燒結(jié)成膜。陶瓷結(jié)構(gòu)具有很強的表面與界面效應，以及出色的選擇性能。沸石是一種堿土金屬鋁硅酸鹽礦物，有規(guī)則的孔隙，被用于制造沸石分子篩膜。沸石膜具有高選擇性、高滲透性、熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，在二氧化碳分離應用中具有重要價值。南京工業(yè)大學顧學紅教授團隊設(shè)計的中DD3R沸石分子篩膜分離二氧化碳、甲烷混合氣時，分離選擇性可達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。

混合基質(zhì)膜中，有機聚合物作為基體，無機組分作為填充材料。無機填料通常包括金屬有機框架、共價有機框架、碳納米管、氧化石墨烯等，它們以納米粒子或微粒的形式分散在基體中，協(xié)同構(gòu)成混合基質(zhì)膜。

混合基質(zhì)膜兼具有機聚合物的柔韌性與無機組分的多孔特性，在二氧化碳分離中往往展現(xiàn)出較高的滲透率與選擇性。新疆石河子大學李雪琴教授團隊將共價有機框架集成到金屬有機框架材料中，成功制備了新型復合材料，隨后將其摻入聚醚嵌段聚酰胺基質(zhì)中，制備了混合基質(zhì)膜用于二氧化碳分離。與純聚醚嵌段聚酰胺膜相比，混合基質(zhì)膜分離性能顯著提高。研究發(fā)現(xiàn)，復合材料能暴露出更多的路易斯堿性位點和開放金屬位點，從而增強了混合基質(zhì)膜對二氧化碳的選擇性。

與傳統(tǒng)分離技術(shù)相比，分離膜技術(shù)成本低、易于規(guī)?；?，門檻相對較低。然而，作為一項年輕的技術(shù)，二氧化碳分離膜在工業(yè)界的發(fā)展還有待推進，應將研究與實際生產(chǎn)接軌，用“膜”法助力碳中和。

（作者莫尊理系西北師范大學教授、博士生導師，呂文博系西北師范大學碩士研究生）