“雙碳”戰略下，發展清潔能源，實現二氧化碳（CO2）分離與捕集是工業過程減排的重要途徑。為實現二氧化碳(CO2）和甲烷(CH4）的高效分離，南京工業大學材料化學工程國家重點實驗顧學紅教授團隊經過多年研究在沸石分子篩膜領域取得新進展，制備出了一種高性能天然氣脫碳分子篩膜。日前，這一成果刊發于國際頂級期刊《自然·通訊》。

瞬時模板熱解調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，因此天然氣進入輸送管網前需進行脫碳處理。”顧學紅介紹說，天然氣碳排放量遠低于煤碳和石油，是相對潔凈的化石能源，在未來的能源結構調整中天然氣將發揮重要作用，對其進行脫碳處理是一個關鍵的生產環節。“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，具備環境友好性。”   論文共同第一作者、博士生杜鵬表示，當前市場上胺吸收法脫碳工藝雖比較成熟，但是通過對有機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胺也會污染環境。“因而，用于天然氣脫碳的聚合物膜很受市場關注，但聚合物膜脫碳時產品CH4損失高，且材料在高CO2濃度下容易發生塑化，影響脫碳效果。”

“較之聚合物膜來說，沸石分子篩膜有效地揚其‘長’避其‘短’。”論文共同第一作者王學瑞教授介紹說，沸石分子篩膜是一類無機膜材料，孔徑均一、分離性能和穩定性高。“分子篩膜孔道規整，是一張完美的篩網，分離自如。”顧學紅形象地介紹道，譬如篩豆子時將大顆粒的留存篩內，小顆粒的漏至容器達到分離一樣，沸石分子篩膜也制作了一張“特殊”的篩網，以通過網洞的大小實現大小不同的氣體分子篩分。團隊制備的分子篩膜孔徑為0.36 納米，介于動力學直徑分別為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，以此實現了兩者分離。

模板劑脫除過程操作參數優化與分子篩膜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，而商業聚合物膜的分離選擇性一般在50以內。”王學瑞介紹，全硅型DD3R分子篩膜是理想的天然氣脫碳膜材料，但是DD3R分子篩膜在常規煅燒脫膜板劑過程中晶體膨脹，會導致膜缺陷，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 ℃），調控DD3R分子篩骨架柔性，再在中等溫度（550 ℃）下連續煅燒脫除模板劑，獲得無缺陷DD3R分子篩膜，遠超現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，此方法具有很強的普適性。除DD3R分子篩膜以外，團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捕集等領域的實際應用，助力碳達峰、碳中和雙碳目標的實現。

“分子篩膜用于氣體分離是團隊目前研究的重點。未來，團隊將重點關注二氧化碳，氫氣和稀有氣體等氣體分離領域。”顧學紅表示，團隊長期致力于分子篩膜的研究，所開發的透水分子篩膜在有機溶劑與水的分離已實現規模化工業應用，涉及乙醇、異丙醇、四氫呋喃等10余種溶劑，建成工業裝置已有300多套。

課題組合照

據悉，該項工作得到了科技部國家重點研發計劃、國家自然科學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