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Science:让市售气体分离膜CO?选择性提高150倍
X-MOLNews微信公众号 / 时间:2022-04-21 15:06:23

科技通讯4月21日讯:二氧化碳(CO2)是大家都知道的温室气体,火力发电、钢铁和水泥制造、氢气生产等诸多工业过程中都会产生CO2,它也是全球气候问题的关键所在。CO2捕集,也称为碳捕集,是指从工业排放中分离CO2,有助于CO2回收再利用,并减少工业碳排放。工业上常用的CO2捕集技术是化学吸取法,比如将混合气体鼓入含有液态胺的柱子捕集CO2。该技术占地面积大,液态胺往往有毒且具有腐蚀性,成本及环境风险都不低。膜分离技术是一种颇被看好的CO2捕集方法,成本低,高分子膜易于制成各种尺寸,并且可以轻松更换。然而,长期以来气体分离膜所面临的挑战是气体渗透性和选择性之间此消彼长的关系(trade-off)——渗透性越高,气体通过膜的速度就越快,但是选择性往往下降;而选择性越高,渗透性往往就会下降,气体通过膜的速度就越慢。也就是说,发现同时兼具高选择性和高渗透性的分离膜,是膜分离技术大规模用于CO2捕集的基础。

近期,美国北卡罗来纳州立大学Richard J. Spontak和挪威科技工业研究所Marius Sandru等研究者报道了一种新型混合集成膜(hybrid-integrated membrane)策略,制备出同时具有超高选择性和超高渗透性的CO2分离膜。具体来说,他们在常规高渗透性薄膜表面上生长了富含胺的聚合物超薄层,使得膜表面变得亲水又亲CO2。CO2捕集过程中,该超薄表面层与气流中的水蒸气结合,通过高溶解度机制增加层中CO2的浓度,然后通过高渗透性(但选择性低)的聚合物膜基材快速传输CO2,实现CO2的富集。这种集成多层膜不受扩散限制,与表面修饰之前的膜材料相比,在不显著降低CO2渗透性的前提下,可将CO2选择性提高约150倍。相关研究成果发表在Science 上。

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图1. 新型混合集成膜概念及实验细节。图片来源:Science

小结

本文通过在高渗透性CO2分离膜表面生长富胺层,制备出了一种兼具CO2高渗透性以及高选择性的混合集成膜材料。虽然表面胺化使膜材料的CO2渗透性有所降低,但相应的CO2选择性提高了约150倍。编辑们表示,本文只是一个概念验证,“接下来会研究这种技术在多大程度上可以应用于其他聚合物,以获得相似甚至更优的结果,也会升级纳米制造工艺。”他们还对探索该混合集成膜技术在其他领域的应用感兴趣,例如生物医学领域。

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