天然氣里混了二氧化碳,不僅燒起來不頂用,還會腐蝕管道;石油煉化中,化學(xué)組成一樣、僅空間結(jié)構(gòu)不同的“分子雙胞胎”,更是難以高效分離。不過,這一難題現(xiàn)在有了破解之道。31日,記者從南京工業(yè)大學(xué)獲悉,該校教授顧學(xué)紅、王學(xué)瑞團(tuán)隊通過研發(fā)“胚胎沸石介導(dǎo)縫合成膜”新策略,制備出可規(guī)?;母咝阅芊惺肿雍Y膜。研究成果近日發(fā)表于《自然·通訊》,為工業(yè)氣體分離裝上了“精準(zhǔn)篩選器”。
規(guī)模化制備新型分離材料,降低氣體分離能耗,一直是能源化工行業(yè)的老大難。沸石分子篩膜,表面布滿了亞納米級的超小細(xì)孔,只允許特定尺寸的分子通過,從而實(shí)現(xiàn)氣體混合物的精準(zhǔn)分離。
“但傳統(tǒng)沸石分子篩膜制備存在兩大痛點(diǎn),一是膜層太厚,氣體分子穿過膜的阻力大、跑得慢;二是從實(shí)驗(yàn)室規(guī)格膜樣品放大到工業(yè)規(guī)格膜產(chǎn)品,容易出現(xiàn)缺陷,導(dǎo)致分離效果大打折扣?!惫餐ㄓ嵶髡哳檶W(xué)紅介紹。
為解決這些難題,團(tuán)隊耗時五年提出“胚胎沸石介導(dǎo)縫合成膜”新策略,精準(zhǔn)破解了這兩大難題。論文第一作者游樂凱形象地比喻:“傳統(tǒng)膜層內(nèi)縫隙的消除,就像在石子路上鋪瀝青;而新策略就像拿一根‘針線’,把沸石分子篩晶體從原子層面精準(zhǔn)‘縫合’,形成‘無縫銜接’的分離膜?!?/p>
具體來說,該策略先做出短程有序的“胚胎沸石”作為反應(yīng)中間物,再通過縮合反應(yīng),把沸石分子篩晶體縫成連續(xù)致密的沸石分子篩膜,精準(zhǔn)控制膜層厚度與初始晶種層的厚度相當(dāng)。
基于這一策略,團(tuán)隊取得了三大突破。論文共同通訊作者王學(xué)瑞介紹道,一是膜層更薄,沸石分子篩膜厚度降至560納米,有效降低了氣體穿透的阻力;二是更準(zhǔn),二氧化碳與甲烷分離選擇性達(dá)158,即透過300個分子中甲烷分子數(shù)量還不到2個,篩選氣體分子的精準(zhǔn)度更高了;三是更大更通用,成功制備出40厘米長、102根中空纖維分子篩膜組成的0.5平方米膜芯,實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室樣品到工業(yè)級組件的跨越。
顧學(xué)紅表示,這項成果為沸石分子篩膜在天然氣提氦、天然氣脫碳、同分異構(gòu)體分離等工業(yè)氣體分離領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用,提供了可行的技術(shù)路徑。
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