隨著“碳達峰、碳中和”目標的制定，大力推進綠色分離成為研究重點。氣體膜分離作為一種高效分離技術被廣泛研究，其中，膜材料是膜分離的基礎和核心。一般而言，滲透性越好分離效率越高。但如果提高膜的滲透性，往往雜質也會滲透進來;而如果提高膜對雜質的攔截性，滲透性就會降低，分離效率也會隨之下降。如何兼顧滲透性和攔截性，提高效率、降低能耗一直是行業(yè)難題。
近日，中國石油大學(華東)孫道峰教授團隊結合晶態(tài)多孔材料與高分子/氧化石墨烯材料的優(yōu)勢，采用氧化石墨烯輔助成膜技術、界面聚合技術以及溶解加工策略構筑了“剛柔并濟”的晶態(tài)多孔復合膜，實現(xiàn)了氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)在常溫常壓下的高效分離，相比低溫精餾等傳統(tǒng)氣體分離技術，大幅降低分離能耗。同時該系列膜材料還可以克服經典高分子膜的滲透系數(shù)—選擇性“此消彼長”問題，實現(xiàn)高效率氫氣純化，并可以在200℃(含4mol%水蒸氣)的環(huán)境中保持良好的分離穩(wěn)定性，且相較于商品化分離膜具有競爭性的成本，可謂是既“經濟”又“高效”，為氫氣純化的瓶頸問題提供了“用得上、用得好、用得起”的解決方案，為氫能產業(yè)發(fā)展注入了“膜”力。
“我們充分發(fā)揮晶態(tài)多孔材料的晶體工程設計優(yōu)勢，系統(tǒng)調控金屬—有機框架(MOF)的配體、金屬節(jié)點和客體分子來實現(xiàn)分子篩分。”團隊骨干康子曦教授表示，就跟日常見到工地紗網過濾沙石一樣，大顆粒的石頭會留在紗網上，小顆粒的沙子則會漏至紗網下面達到分離一樣，晶態(tài)多孔復合膜也制作了一張?zhí)貏e的篩網，在微觀上可以調整網洞孔徑達到0.30 nm，介于H2(0.28nm)和CO2(0.33nm)分子動力學直徑之間，因此H2可以透過膜而CO2卻不能，實現(xiàn)精準篩分;同時達到高H2滲透率和高CO2攔截性，克服高分子膜的“此消彼長”局限。
“我們最新開發(fā)的晶態(tài)多孔復合膜最高的H2/CO2的分離選擇性達到100以上，即每透過100個H2分子僅有1個CO2分子透過膜層，而商業(yè)高分子膜的分離選擇性一般在20以內，且滲透率遠低于我們開發(fā)的晶態(tài)多孔復合膜。”團隊骨干范衛(wèi)東副教授補充介紹說，該晶態(tài)多孔復合膜是理想的H2脫CO2材料，但是MOF晶體在水熱體系中由于金屬中心—有機配體之間配位鍵的斷裂導致框架解體，影響了其在實際氫氣分離條件下的穩(wěn)定性。
鑒于此，孫道峰教授團隊提出強化鍵連作用提升晶態(tài)多孔材料水熱穩(wěn)定性策略，利用晶體各向異性的特點，通過調控晶面取向，使表面能更低、配位鍵更少的穩(wěn)定晶面暴露在外，從而提升MOF材料在水熱體系中的穩(wěn)定性，氫氣分離選擇性提升了50%以上。
如何實現(xiàn)晶態(tài)多孔分離膜的擴大化制備是孫道峰教授等科研人員普遍遇到的從實驗室走向工廠的“最后一公里”難題。晶態(tài)多孔材料作為晶體本身是脆的，不易大面積加工制備。
研究團隊及時調整思路，嘗試將晶態(tài)多孔材料與其它材料復合，制備柔性復合膜用于氫氣的高效連續(xù)分離。通過選取具有二維結構的氧化石墨烯(GO)作為膜基質，創(chuàng)新性的利用GO的二維限域作用，在其層間將前驅物(氧化物)原位轉化為晶態(tài)多孔材料(分子篩和MOF)，構筑了晶態(tài)多孔材料/GO柔性復合膜，賦予了復合膜相較于其它晶態(tài)多孔膜不常具備的柔性，易于加工制成卷式或管式等高效率的膜組件，解決了晶態(tài)多孔分離膜的柔性問題，實現(xiàn)了“1+1>2”的高效純化效果。
日前，晶態(tài)多孔復合膜的研究成果得到社會上不少企業(yè)的關注，孫道峰教授團隊接到了中國膜工業(yè)協(xié)會常務理事單位天維膜技術有限公司拋來的“橄欖枝”，他們依托山東省重大科技創(chuàng)新工程，進行相關膜材料的擴大化制備和產業(yè)化開發(fā)，實現(xiàn)平方分米和平方米尺寸的晶態(tài)多孔材料/GO柔性復合膜的加工。
依托山東省重大科技創(chuàng)新工程，相關技術已和山東天維膜技術有限公司合作進行產業(yè)化開發(fā)。中國膜工業(yè)協(xié)會常務理事單位、山東天維膜技術有限公司首席專家劉兆明對該項技術給予了高度評價：“該項技術使氫氣純化更加高效、節(jié)能，對推進能源生產和消費革命，構建清潔低碳、建立安全可持續(xù)發(fā)展的能源體系，具有重要的經濟和社會意義。”
“希望這項晶態(tài)多孔復合膜技術能夠得到快速推廣，助推解決氫能產業(yè)發(fā)展的瓶頸問題，真正為能源結構重整和環(huán)境保護注入‘膜’力。”孫道峰教授說。
閃電新聞記者 劉繼順 通訊員 楊安 馬曉晨 報道
評論