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發(fā)展清潔能源，實(shí)現(xiàn)二氧化碳分離與捕集是工業(yè)過(guò)程減排的重要途徑。為實(shí)現(xiàn)二氧化碳和甲烷的高效分離，3月27日，記者從南京工業(yè)大學(xué)獲悉，該校材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)顧學(xué)紅教授團(tuán)隊(duì)近期制備出了一種高性能天然氣脫碳分子篩膜，這一成果近日刊發(fā)于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》。

“天然氣中的二氧化碳會(huì)降低燃料熱值并腐蝕輸送管道，因此天然氣進(jìn)入輸送管網(wǎng)前需進(jìn)行脫碳處理。”顧學(xué)紅介紹，天然氣碳排放量遠(yuǎn)低于煤碳和石油，是相對(duì)潔凈的化石能源，在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中天然氣將發(fā)揮重要作用，對(duì)其進(jìn)行脫碳處理是一個(gè)關(guān)鍵的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。

“膜分離用于天然氣中脫碳無(wú)需添加第三組分，能顯著降低分離能耗，具備環(huán)境友好性。”論文共同第一作者、博士生杜鵬表示，當(dāng)前市場(chǎng)上胺吸收法脫碳工藝雖比較成熟，但是通過(guò)對(duì)有機(jī)胺吸收液加熱來(lái)釋放CO2的工藝，一方面增加了能耗，另一方面損失的有機(jī)胺也會(huì)污染環(huán)境。“因而，用于天然氣脫碳的聚合物膜很受市場(chǎng)關(guān)注，但聚合物膜脫碳時(shí)產(chǎn)品甲烷損失高，且材料在高二氧化碳濃度下容易發(fā)生塑化，影響脫碳效果。”

“較之聚合物膜來(lái)說(shuō)，沸石分子篩膜可以有效地?fù)P長(zhǎng)避短。”論文共同第一作者王學(xué)瑞教授介紹，沸石分子篩膜是一類無(wú)機(jī)膜材料，孔徑均一、分離性能和穩(wěn)定性高。

“分子篩膜孔道規(guī)整，是一張完美的篩網(wǎng)，分離自如。”顧學(xué)紅形象地介紹，譬如篩豆子時(shí)將大顆粒的留存篩內(nèi)，小顆粒的漏至容器達(dá)到分離一樣，沸石分子篩膜也制作了一張“特殊”的篩網(wǎng)，以通過(guò)網(wǎng)洞的大小實(shí)現(xiàn)大小不同的氣體分子篩分。

據(jù)悉，團(tuán)隊(duì)制備的分子篩膜孔徑為0.36納米，介于動(dòng)力學(xué)直徑分別為0.33納米、0.38納米的二氧化碳與甲烷分子之間，因此二氧化碳可以透過(guò)膜而甲烷卻不能，以此實(shí)現(xiàn)了兩者分離。

“我們所制備的中空纖維DD3R分子篩膜最高的二氧化碳/甲烷的分離選擇性為1172，即每透過(guò)1172個(gè)二氧化碳分子僅有1個(gè)甲烷分子透過(guò)膜層，而商業(yè)聚合物膜的分離選擇性一般在50以內(nèi)。”王學(xué)瑞介紹，全硅型DD3R分子篩膜是理想的天然氣脫碳膜材料，但是DD3R分子篩膜在常規(guī)煅燒脫膜板劑過(guò)程中晶體膨脹，會(huì)導(dǎo)致膜缺陷，使得分離性能喪失。

鑒于此，課題組提出一種脫膜板劑策略，即通過(guò)快速升溫、瞬時(shí)熱解，調(diào)控DD3R分子篩骨架柔性，再在550℃下連續(xù)煅燒脫除模板劑，獲得無(wú)缺陷DD3R分子篩膜，遠(yuǎn)超現(xiàn)有同類分離膜的性能水平。

論文共同第一作者張玉亭副教授介紹，此方法具有很強(qiáng)的普適性。除DD3R分子篩膜以外，團(tuán)隊(duì)還利用該方法制備了高性能的SSZ-13和MFI型分子篩膜，有效提升了高溫模板劑脫除階段分子篩膜的成品率，有望解決高性能分子篩膜規(guī)?；苽涞碾y題，從而推動(dòng)分子篩膜在天然氣脫碳、氫氣分離以及二氧化碳捕集等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用，助力碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

“分子篩膜用于氣體分離是團(tuán)隊(duì)目前研究的重點(diǎn)。未來(lái)，團(tuán)隊(duì)將重點(diǎn)關(guān)注二氧化碳，氫氣和稀有氣體等氣體分離領(lǐng)域。”顧學(xué)紅表示，團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于分子篩膜的研究，所開發(fā)的透水分子篩膜在有機(jī)溶劑與水的分離已實(shí)現(xiàn)規(guī)?；I(yè)應(yīng)用，涉及乙醇、異丙醇、四氫呋喃等10余種溶劑，建成工業(yè)裝置已有300多套。(科技日?qǐng)?bào)記者 金鳳 通訊員 姜畔 楊芳)