解決水泥行業(yè)尾氣收集、固碳處理問題，可控膜材料開拓氣體分離新視野

氣體分離在工業(yè)領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。不管是從空氣中分離氮氧，在石油裂解混合氣中分離氫、一氧化碳，還是從合成氨尾氣中回收氫，在水泥電力行業(yè)進行尾氣收集、固碳處理，都離不開氣體分離。  

3月25日，發(fā)表于《科學(xué)》的一項最新研究，介紹了一種新型梯形聚合物（ladderpolymer），研究人員通過分子結(jié)構(gòu)調(diào)控使聚合物在“老化”過程中，增強其氣體選擇性，同時保持高滲透性能（通過效率）。該技術(shù)為選擇性控制膜聚合物分子設(shè)計提供了新的可能。

奇特的現(xiàn)象  

氣體分離膜是近年來發(fā)展很快的一項技術(shù)。不同的高分子膜對不同種類氣體分子的透過率和選擇性不同，因此可以從氣體混合物中選擇分離某種氣體。  

然而，受分離膜滲透性和選擇性等因素限制，傳統(tǒng)上膜分離法效果并不理想，工業(yè)上成規(guī)模的氣體分離多采用化學(xué)分離，但化學(xué)分離過程復(fù)雜且耗能較高。有數(shù)據(jù)表明，目前化學(xué)分離約占世界能源消耗的近15%。  

迄今為止，設(shè)計可用于高效、大規(guī)模分離氣體的分離膜一直是一項挑戰(zhàn)。為了突破這些限制，美國麻省理工、斯坦福大學(xué)和英國曼徹斯特大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種梯形聚合物，可實現(xiàn)高選擇性和滲透性。  

“該研究的亮點是通過分子設(shè)計，導(dǎo)致分離薄膜老化程度不相同,從而表現(xiàn)出更優(yōu)異的氣體選擇性和通過性?！彼固垢４髮W(xué)化學(xué)系副教授夏巖對《中國科學(xué)報》說。  

這種梯形聚合物具有很剛性扭曲帶狀大分子鏈結(jié)構(gòu)，其分子很難緊密地緊密排列，從而產(chǎn)生很小的孔。部分氣體能通過這些小孔，而另一些不能通過，因此就可實現(xiàn)氣體分離。這些聚合物的分子通常是“非平衡排列”，隨著時間的推移，其分子排列會變得越來越緊密，從而造成分離膜老化。  

“通常老化過程會導(dǎo)致分離膜過濾能力下降明顯，但選擇性并不會因此提升。”夏巖補充說，“這種新型分離膜在老化以后，分離性能會更好?！?nbsp; 

目前，該團隊只是發(fā)現(xiàn)這種材料的奇特現(xiàn)象，但為什么某些梯形結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)這樣的過濾特性，研究人員“還沒弄明白”。  

“意外”的發(fā)現(xiàn)  

“這其實是個意外的發(fā)現(xiàn)?！毕膸r說，“一方面是因為我們近10年一直研究梯形高分子結(jié)構(gòu)對其性質(zhì)的影響；另一方面，發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象也有運氣的成分?！?nbsp; 

8年前，夏巖團隊獲得一小筆經(jīng)費，開發(fā)梯形高分子的合成方法。當時的項目結(jié)束后，該團隊一直在梯型聚合物分子結(jié)構(gòu)對性質(zhì)影響方面進行摸索。  

“這項研究屬于高分子化學(xué)前沿研究和工程科學(xué)的交叉領(lǐng)域?！毕膸r補充說，“在美國，這類交叉研究其實也很難爭取到經(jīng)費支持，工業(yè)界更青睞馬上能看到成效的研究?！?nbsp; 

盡管如此，該團隊從未停止研究分子結(jié)構(gòu)，分子排列方式，和孔徑大小和分布之間的關(guān)系。直到有一天，研究人員把最初類似2D形狀的梯形聚合物變成了3D形狀，“發(fā)現(xiàn)它的性能一下子提升了很多”。  

向應(yīng)用推進  

“這種新型分離膜可以高效、高選擇性地分離多種氣體，可廣泛用于氣體分離提純、尾氣收集等領(lǐng)域。”夏巖介紹說。  

比如，在水泥、鋼鐵制造行業(yè)，對排放的二氧化碳進行收集固碳。比如，分離二氧化碳和甲烷，進行天然氣提純。比如進行氮氧分離，氫氣制備和提純。  

“傳統(tǒng)化學(xué)分離氣體是個極其耗能又對環(huán)境破環(huán)的過程。”夏巖說，“與之相比，膜分離就是一個過濾過程，相對節(jié)省大量能耗，對環(huán)境無害，操作也相對簡單。我們和MITSmith組合作模擬了不同條件二氧化碳和甲烷按不同比例混合起來進行分離，發(fā)現(xiàn)這種材料是目前性能最好、分離效率最高的高分子材料?！?nbsp; 

“下一階段的研究目標是優(yōu)化和控制這類聚合物在薄膜中的性能，并將研究擴展到更復(fù)雜、商業(yè)相關(guān)的氣體分離?！痹撜撐牡那罢埃≒erspective）作者、曼徹斯特大學(xué)教授PeterBudd說。  

目前，該技術(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段，夏巖實驗室只制備出了幾克這種材料。  

“工業(yè)化應(yīng)用至少要能制備出幾十公斤這樣的級別，目前我們還沒有這樣能力。”夏巖說，“下一步我們會針對大量制備和材料長期穩(wěn)定性進行研究，也希望能和產(chǎn)業(yè)界合作，將該技術(shù)投入應(yīng)用?！?/p>