气体分子筛分：超薄膜如何高效过滤与分离

来源：科技日报

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科技日报记者 金凤 通讯员 杨芳

天然气里混了二氧化碳，不仅烧起来不顶用，还会腐蚀管道；石油炼化中，化学组成一样、仅空间结构不同的“分子双胞胎”，更是难以高效分离。不过，这一难题现在有了破解之道。31日，记者从南京工业大学获悉，该校教授顾学红、王学瑞团队通过研发“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略，制备出可规模化的高性能沸石分子筛膜。研究成果近日发表于《自然·通讯》，为工业气体分离装上了“精准筛选器”。

规模化制备新型分离材料，降低气体分离能耗，一直是能源化工行业的老大难。沸石分子筛膜，表面布满了亚纳米级的超小细孔，只允许特定尺寸的分子通过，从而实现气体混合物的精准分离。

“但传统沸石分子筛膜制备存在两大痛点，一是膜层太厚，气体分子穿过膜的阻力大、跑得慢；二是从实验室规格膜样品放大到工业规格膜产品，容易出现缺陷，导致分离效果大打折扣。”共同通讯作者顾学红介绍。

为解决这些难题，团队耗时五年提出“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略，精准破解了这两大难题。论文第一作者游乐凯形象地比喻：“传统膜层内缝隙的消除，就像在石子路上铺沥青；而新策略就像拿一根‘针线’，把沸石分子筛晶体从原子层面精准‘缝合’，形成‘无缝衔接’的分离膜。”

具体来说，该策略先做出短程有序的“胚胎沸石”作为反应中间物，再通过缩合反应，把沸石分子筛晶体缝成连续致密的沸石分子筛膜，精准控制膜层厚度与初始晶种层的厚度相当。

基于这一策略，团队取得了三大突破。论文共同通讯作者王学瑞介绍道，一是膜层更薄，沸石分子筛膜厚度降至560纳米，有效降低了气体穿透的阻力；二是更准，二氧化碳与甲烷分离选择性达158，即透过300个分子中甲烷分子数量还不到2个，筛选气体分子的精准度更高了；三是更大更通用，成功制备出40厘米长、102根中空纤维分子筛膜组成的0.5平方米膜芯，实现从实验室样品到工业级组件的跨越。

顾学红表示，这项成果为沸石分子筛膜在天然气提氦、天然气脱碳、同分异构体分离等工业气体分离领域的实际应用，提供了可行的技术路径。