氣體分離膜材料的革新之路

隨著國(guó)際上對(duì)可再生能源和碳中和目標(biāo)的關(guān)注，沼氣提純（將沼氣中的二氧化碳與甲烷分離）和工業(yè)廢氣中的二氧化碳捕獲成為關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)聚合物膜材料（如聚酰亞胺）雖成本低廉，但存在“滲透率-選擇性”難以兼顧的瓶頸——高選擇性往往以低滲透率為代價(jià)，限制了實(shí)際應(yīng)用效率。科學(xué)家們長(zhǎng)期致力于開發(fā)新型材料，但如何將這些材料制成高性能薄膜并保持穩(wěn)定性，仍是行業(yè)難題。

當(dāng)“魚與熊掌不可兼得”

現(xiàn)有中空纖維膜在高壓環(huán)境下易發(fā)生結(jié)構(gòu)變形，導(dǎo)致性能衰減；而傳統(tǒng)干燥工藝（如冷凍干燥）雖能保留膜孔結(jié)構(gòu)，卻會(huì)引入微小缺陷，降低選擇性。如何在高壓操作條件下同時(shí)提升膜的滲透率和選擇性，成為技術(shù)突破的關(guān)鍵。

空氣干燥與壓力調(diào)控的巧妙結(jié)合

新加坡國(guó)立大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)近期在《Chemical Engineering Journal》發(fā)表成果，提出了一種創(chuàng)新制備策略：通過“空氣干燥法”結(jié)合高壓調(diào)控，成功開發(fā)出高性能的Matrimid（聚酰亞胺）中空纖維膜。該膜在21巴壓力下，二氧化碳滲透率高達(dá)333 GPU（氣體滲透單位），同時(shí)對(duì)CO?/N?和CO?/CH?的選擇性分別達(dá)到94.4和79.4，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)材料極限。

圖片插入點(diǎn)：圖1展示新型中空纖維膜截面結(jié)構(gòu)，可見規(guī)則排列的指狀孔道，支持高壓下的均勻形變。

用“納米尺子”窺探材料微觀變化

研究團(tuán)隊(duì)利用正電子湮沒壽命譜技術(shù)（PALS）揭示了壓力對(duì)膜結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)影響。正電子可視為探測(cè)材料內(nèi)部納米孔洞的“超靈敏探針”——當(dāng)正電子進(jìn)入材料后，其湮沒壽命與所處環(huán)境的電子密度相關(guān)。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

· 壓力作用下，膜內(nèi)自由體積孔洞略微擴(kuò)大（半徑從3.03 ?增至3.20 ?），同時(shí)新生納米孔洞使材料總體自由體積增加18%。

· 通俗解釋：高壓使膜內(nèi)部形成更多“分子高速公路”，線性結(jié)構(gòu)的CO?分子可快速通過，而體積較大的N?和CH?則被選擇性阻擋。

技術(shù)優(yōu)勢(shì)與應(yīng)用前景

1. 性能飛躍：相比冷凍干燥樣品（因缺陷導(dǎo)致無(wú)選擇性），空氣干燥膜在高壓下性能持續(xù)提升，且經(jīng)PDMS涂層后，CO?滲透率可進(jìn)一步突破1000 GPU。

2. 工程化驗(yàn)證：團(tuán)隊(duì)成功制備含230根纖維的1英寸模塊，在15巴壓力下連續(xù)運(yùn)行11天，性能穩(wěn)定（CO?/N?選擇性達(dá)80），證實(shí)技術(shù)可擴(kuò)展性。

3. 應(yīng)用場(chǎng)景：該膜可直接用于高壓沼氣管道提純，減少能耗；在燃煤電廠碳捕獲中，其高滲透率有望降低設(shè)備體積與成本。

國(guó)產(chǎn)科學(xué)儀器助力材料表征

本研究中關(guān)鍵的微觀結(jié)構(gòu)分析依賴于正電子湮沒壽命譜儀。安徽核芯電子科技有限公司的DPLS-4000數(shù)字化正電子湮沒壽命譜儀具備190ps超高時(shí)間分辨率與一鍵式智能操作，可精準(zhǔn)檢測(cè)材料中0.1納米至百納米的缺陷與孔洞，為同類研究提供可靠工具。

邁向碳中和的新里程碑

這項(xiàng)研究不僅為氣體分離膜設(shè)計(jì)提供了新思路，更通過原位表征技術(shù)深化了“材料結(jié)構(gòu)-性能”關(guān)系的理解。未來，結(jié)合自動(dòng)化生產(chǎn)與工況模擬，該技術(shù)有望加速工業(yè)落地，為地球碳減排目標(biāo)注入科技動(dòng)力。

ZHAO B, WU J, CHUNG T S, 等, 2025. Pressure-enhanced inner-selective Matrimid hollow fiber membranes for highly permselective CO2/N2 and CO2/CH4 separation[J/OL]. Chemical Engineering Journal: 162715.