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在人类的各项工业生产活动中,化学品分离过程的能源消耗极大,占据全球能源消费总量的 15%,而气体分离又是其中极具价值和挑战性的一环。
近几十年来,以膜为基础的新一代分离技术迅速兴起。相对于传统的高能耗分离技术,膜分离不仅可将分离过程的能耗降低 90% 至 99%,并因其具备模块化设计、经济环保、高度灵活、占地面积小等诸多优点,而成为工业气体分离,尤其是二氧化碳脱除的解决方案之一。
然而,尽管膜分离技术具备诸多优点,但现有膜材料的性能存在极限,无法在保证材料抗老化且易加工的同时,实现对气体快速、高效的提纯。
针对这个问题,来自比利时鲁汶大学的研究人员发明了一种方法,成功地将亲二氧化碳的 SSZ-39 沸石整合入一种商用聚酰亚胺中,得到了高负载、柔性、无缺陷且抗老化的混合基质膜(Mixedmatrix membranes,MMM)。此膜展现出了前所未有的超高二氧化碳脱除性能,不但优于所有的 MMM 或聚合物膜,甚至超过了很多现有的纯沸石膜。
2022 年 12 月 15 日,相关论文以《真正结合聚合物膜和沸石膜的优点进行气体分离》()为题在 Science 上发表 [1]。
图丨相关论文(来源:Science)
鲁汶大学 cMACS 研究中心的博士研究生谭潇雨为该论文的第一作者,鲁汶大学 cMACS 中心伊沃·范克尔康教授()与 CSCE 中心米歇尔·杜塞利教授()为论文的共同通讯作者。
据谭潇雨介绍,他本科毕业于大连理工大学,硕士就读于沙特阿卜杜拉国王科技大学,毕业后在沙特基础工业公司(SABIC)总部研究所从事两年研发工作,随后来到鲁汶大学继续攻读博士学位。而这项研究正是始于 2019 年初,那时他刚从工业界重返校园,正在寻找博士阶段的研究方向。
图丨谭潇雨和导师伊沃·范克尔康教授()(来源:谭潇雨)
由于他颇为擅长电子显微镜表征,所以经常会受到同事们的邀请,帮助大家拍摄电镜图片。其中就包括同校博士后、现任教于浙江工业大学的柯权力。
“有一天我在帮柯权力师兄拍摄时,偶然发现了一个具有 AEI 结构的 SSZ-39 沸石。它规则的形貌在电子显微镜下呈现出特异的美丽,一微米大的方形薄片占据了整个屏幕,就像一堆 iPad 随机摞在一起。”谭潇雨说,“那天,柯权力师兄合成了这个分子筛,正要去做催化方面的研究,于是我问他,能不能也给我一点样品,让我用它做一张膜。”
图丨 SSZ-39 沸石(来源:Science)
然而谭潇雨尝试过后发现,用 SSZ-39 沸石制成的膜并没有展现分离气体的性能,只能暂时将其“抛之脑后”。
“又过了一两个月后,我突然想到,如果将这个膜进行退火处理,高温可能会引发高分子链重新排列,或许就会有转机。令人惊喜的是,退火处理后,这个膜立刻展现出了优越的气体分离性能,明显强于高分子膜本身。”谭潇雨表示,他们意识到,这会是一个值得深入研究的方向,于是立即开始了对于它的优化工作。
为了进一步提高材料的性能,谭潇雨和各个课题组的成员合作,不仅对 SSZ-39 进行了超过 100 次的重复制备,还制备了近 1000 张膜材料。
“当时我全身心地投入到这项工作中,有时一不注意就加班到了凌晨两三点钟。每当确认膜的性能突破了历史纪录,我都会忍不住给导师和合作伙伴们发邮件汇报,平时走在路上也会反复思考和复盘。”谭潇雨说。
最终,通过对沸石和膜制备方案的精心设计,该团队成功地在一个柔性的膜上创建了一个三维的、具备精确的分子选择性的气体高速通道,并对多种气体进行了测试。结果显示,其对二氧化碳-CH4 混合气的选择性达到了~423,而二氧化碳的渗透性高达约 8300 Barrer(用于评估气体渗透性的单位)。
图丨 Na-SSZ-39 MMMs 的气体分离性能(来源:Science)
后来,谭潇雨又先后与比利时根特大学与布鲁塞尔自由大学的研究者合作,对该材料的分离机理进行了深入研究,并完成了这个研究所需的全部测试,模拟和计算工作。由于数据量庞大,为了符合 Science 对文章长度的要求,他们在投稿前不得不在正文中缩减了许多内容。
据介绍,这篇论文的两位审稿人都给出了非常正面的评价,他们认为该团队将沸石和聚酰亚胺结合,提出了新颖的高展弦比材料应用策略,并开发出了有史以来性能最强的柔性二氧化碳分离膜。这不仅是二氧化碳分离技术的突破,还解决了沸石混合基质膜制备这个困扰业界多年的难题。
“起初是因为看到这个材料很漂亮才开始研究,没想到竟然能在几年之后开花结果,孕育出了当下性能最强的二氧化碳分离膜。每每想到这一点,我自己也非常感慨。”谭潇雨说。
而这段经历也给了谭潇雨一个很好的启发。“做研究可能需要自由的心态,也需要一些灵感和冲动,但更需要积累和坚持。”他说,“这项研究就始于刹那的灵感,它的起点和终点并没有在一开始就被规划好,但是凭借大家的坚持和努力,攻坚克难,柳暗花明,最后取得了远超预期的成果。”
该成果主要可以应用在以下三方面:
第一,用于脱除天然气和沼气中的二氧化碳、二氧化硫、硫化氢等酸性杂质,以更低的成本生产清洁能源。
第二,用于高效分离和回收火力发电站排放的烟道气中的二氧化碳,为实现碳中和目标提供助力。
第三,用于对包括氢气,烷烃,烯烃等在内的高价值气态化合物的精炼与回收,节能减排,以实现低碳经济。
图丨应用概念图(来源:谭潇雨)
在很多人眼中,化工是一个传统的、资本和技术密集型行业。那么,在推进智能制造的大背景下,如何推动化工行业进行转型升级,使其智能化?
“我觉得我们这项工作就是一个很好的探索。”谭潇雨表示。
由于膜材料可以被方便地加工成各种规格的组件。因此,一方面,它既可以被安装在现有的化工设备上强化系统运行,并赋予化工生产更高的灵活度。另一方面,又能基于模块化的开发理念,结合实时数据分析与物联网技术,设计智能化的膜分离系统,使其自动、灵活地组合各种膜组件,按需提供分离能力,并最终实现化工厂的智能制造。
“我投身于先进膜技术的研究已经有九年时间了。开发高性能膜材料以推动下一代分离技术的发展,是我坚持科研的主要动力。”
此外,谭潇雨也介绍了关于该项研究的后续研究计划。
首先,使用成本更低、绿色环保的沸石来制备膜材料。其次,基于沸石开发高性能的膜材料平台,以同一个平台实现多种高价值应用,并探究更深层次的物化机理。此外,使用商业化材料,开发高性能的沸石混合基质膜的大规模生产技术,进一步推动科研成果产业化。
参考资料:
1. Xiaoyu Tan, et al. Truly combining the advantages of polymeric and zeolite membranes for gas separations. Science 378, 6625, 1189-1194 (2022). https://www.science.org/doi/10.1126/science.ade1411
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