“雙碳”戰(zhàn)略下，發(fā)展清潔能源，實現(xiàn)二氧化碳（CO2）分離與捕集是工業(yè)過程減排的重要途徑。為實現(xiàn)二氧化碳(CO2）和甲烷(CH4）的高效分離，南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國家重點實驗顧學(xué)紅教授團(tuán)隊經(jīng)過多年研究在沸石分子篩膜領(lǐng)域取得新進(jìn)展，制備出了一種高性能天然氣脫碳分子篩膜。日前，這一成果刊發(fā)于國際頂級期刊《自然·通訊》。

瞬時模板熱解調(diào)控分子篩膜骨架柔性示意圖

“天然氣中的CO2會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)紅介紹說，天然氣碳排放量遠(yuǎn)低于煤碳和石油，是相對潔凈的化石能源，在未來的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中天然氣將發(fā)揮重要作用，對其進(jìn)行脫碳處理是一個關(guān)鍵的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。“膜分離用于天然氣中脫碳無需添加第三組分，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)前市場上胺吸收法脫碳工藝雖比較成熟，但是通過對有機(jī)胺吸收液加熱來釋放CO2的工藝，一方面增加了能耗，另一方面損失的有機(jī)胺也會污染環(huán)境。“因而，用于天然氣脫碳的聚合物膜很受市場關(guān)注，但聚合物膜脫碳時產(chǎn)品CH4損失高，且材料在高CO2濃度下容易發(fā)生塑化，影響脫碳效果。”

“較之聚合物膜來說，沸石分子篩膜有效地?fù)P其‘長’避其‘短’。”論文共同第一作者王學(xué)瑞教授介紹說，沸石分子篩膜是一類無機(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)紅形象地介紹道，譬如篩豆子時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)，以通過網(wǎng)洞的大小實現(xiàn)大小不同的氣體分子篩分。團(tuán)隊制備的分子篩膜孔徑為0.36 納米，介于動力學(xué)直徑分別為0.33納米、0.38納米的CO2 與CH4分子之間，因此CO2可以透過膜而CH4 卻不能，以此實現(xiàn)了兩者分離。

模板劑脫除過程操作參數(shù)優(yōu)化與分子篩膜CO2/CH4分離性能

“我們所制備的中空纖維DD3R分子篩膜最高的CO2/CH4的分離選擇性為1172，即每透過1172個CO2分子僅有1個CH4分子透過膜層，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)煅燒脫膜板劑過程中晶體膨脹，會導(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，即通過快速升溫、瞬時熱解（700 ℃），調(diào)控DD3R分子篩骨架柔性，再在中等溫度（550 ℃）下連續(xù)煅燒脫除模板劑，獲得無缺陷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)模化制備的難題，從而推動分子篩膜在天然氣脫碳、H2分離以及CO2捕集等領(lǐng)域的實際應(yīng)用，助力碳達(dá)峰、碳中和雙碳目標(biāo)的實現(xiàn)。

“分子篩膜用于氣體分離是團(tuán)隊目前研究的重點。未來，團(tuán)隊將重點關(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)隊長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現(xiàn)規(guī)模化工業(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。

課題組合照

據(jù)悉，該項工作得到了科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金重點項目等科研項目的資助。

文章鏈接https://www.nature.com/articles/s41467-022-29126-6

通訊員  姜畔  楊芳

揚子晚報/紫牛新聞  楊甜子

校對 李海慧