解決水泥行業(yè)尾氣收集、固碳處理問(wèn)題，可控膜材料開(kāi)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(jìn)行尾氣收集、固碳處理，都離不開(kāi)氣體分離。  

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

奇特的現(xiàn)象  

氣體分離膜是近年來(lái)發(fā)展很快的一項(xiàng)技術(shù)。不同的高分子膜對(duì)不同種類氣體分子的透過(guò)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(guò)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(jì)可用于高效、大規(guī)模分離氣體的分離膜一直是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。為了突破這些限制，美國(guó)麻省理工、斯坦福大學(xué)和英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種梯形聚合物，可實(shí)現(xiàn)高選擇性和滲透性。  

“該研究的亮點(diǎn)是通過(guò)分子設(shè)計(jì)，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(guò)性?！彼固垢４髮W(xué)化學(xué)系副教授夏巖對(duì)《中國(guó)科學(xué)報(bào)》說(shuō)。  

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(guò)這些小孔，而另一些不能通過(guò)，因此就可實(shí)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(shí)間的推移，其分子排列會(huì)變得越來(lái)越緊密，從而造成分離膜老化。  

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

目前，該團(tuán)隊(duì)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(huì)出現(xiàn)這樣的過(guò)濾特性，研究人員“還沒(méi)弄明白”。  

“意外”的發(fā)現(xiàn)  

“這其實(shí)是個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)?！毕膸r說(shuō)，“一方面是因?yàn)槲覀兘?0年一直研究梯形高分子結(jié)構(gòu)對(duì)其性質(zhì)的影響；另一方面，發(fā)現(xiàn)這一現(xiàn)象也有運(yùn)氣的成分。”  

8年前，夏巖團(tuán)隊(duì)獲得一小筆經(jīng)費(fèi)，開(kāi)發(fā)梯形高分子的合成方法。當(dāng)時(shí)的項(xiàng)目結(jié)束后，該團(tuán)隊(duì)一直在梯型聚合物分子結(jié)構(gòu)對(duì)性質(zhì)影響方面進(jìn)行摸索。  

“這項(xiàng)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(bǔ)充說(shuō)，“在美國(guó)，這類交叉研究其實(shí)也很難爭(zhēng)取到經(jīng)費(fèi)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(tuán)隊(duì)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(jìn)  

“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?！毕膸r介紹說(shuō)。  

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

“傳統(tǒng)化學(xué)分離氣體是個(gè)極其耗能又對(duì)環(huán)境破環(huán)的過(guò)程?！毕膸r說(shuō)，“與之相比，膜分離就是一個(gè)過(guò)濾過(guò)程，相對(duì)節(jié)省大量能耗，對(duì)環(huán)境無(wú)害，操作也相對(duì)簡(jiǎn)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(lái)進(jìn)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。”  

“下一階段的研究目標(biāo)是優(yōu)化和控制這類聚合物在薄膜中的性能，并將研究擴(kuò)展到更復(fù)雜、商業(yè)相關(guān)的氣體分離。”該論文的前瞻（Perspective）作者、曼徹斯特大學(xué)教授PeterBudd說(shuō)。  

目前，該技術(shù)還處于基礎(chǔ)研究階段，夏巖實(shí)驗(yàn)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(jí)別，目前我們還沒(méi)有這樣能力?！毕膸r說(shuō)，“下一步我們會(huì)針對(duì)大量制備和材料長(zhǎng)期穩(wěn)定性進(jìn)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>