科學家發明新型納米多孔膜實現高效氣體分離
2013-05-29 來源：中國聚合物網
英國劍橋大學的科學家最近發明了一種新的納米多孔膜材料，可以極大的提高膜的選擇性，而膜的滲透性比傳統的商業化分離膜高100到1000倍。 研究人員表示，如果能制備成商業化組件，將有望變革膜分離技術。相關研究5月28日在線發表于《自然—通訊》雜志。
膜分離技術是21世紀的前沿技術，在能源、化工、石油、天然氣，冶金、環保、水處理、食品、醫藥、生物工程等諸多領域已經得到較大規模地開發和應用，產生了巨大的經濟和社會效益，“十二五”末中國的膜產業將達到千億級規模。氣體膜分離技術根據不同氣體分子滲透性的不同，可以實現低能耗的選擇性分離，已經廣泛應用于空氣分離、氫氣回收和凈化，天然氣凈化、石油裂解氣氫氣回收，烯烴和烷烴分離等方面。傳統已商業化的氣體分離膜材料，滲透性和選擇性相互限制，亟需開發新型高性能膜分離材料。
微孔有機聚合物是近年來新研發的納米多孔材料，在氣體存儲、吸附、分離和催化等應用領域極具潛力，其中自具微孔聚合物(Polymers of Intrinsic Microporosity， PIMs) 可以用常見的有機溶劑溶解，容易加工處理成任意形狀，具有廣闊的應用前景。該類聚合物具有剛性而且扭曲的基團結構，可以避免高分子鏈緊密堆積，從而形成大量相通的微孔（小于2納米）和超微孔（小于1納米）。理想的分離膜就像篩子一樣，小的氣體分子可以快速濾過，大的分子被截留，微孔有機聚合物的孔徑分布較寬，氣體分離的選擇性受到限制。劍橋大學的研究團隊采用自具微孔有機聚合物，制備成薄膜，通過紫外光輻照，引發膜表面的聚合物氧化，促使鏈緊密排列，孔徑變窄。研究人員測試了該合成膜對于氫氣，二氧化碳，氧氣，氮氣和甲烷等工業氣體的分離特性，膜的選擇性接近或高于傳統的氣體分離膜材料，而膜的滲透性比目前工業用膜材料高100到1000倍。
論文的第一作者，劍橋大學卡文迪許實驗室的國家公派博士生宋啟磊表示，我們的方法非常簡單，從反應工程學的角度，通過改變光化學反應條件，在分子尺度調控膜內微孔的大小和分布，從而提高膜的分離性能。通過本論文的研究，我們對材料的物理化學特性有了更深入的理解，有望開發出更好的膜材料和技術應用。針對中國以煤燃燒發電為主的國情，膜分離技術有著特別重要的應用前景，比如用于大規模空氣分離制氧實現煤的富氧清潔燃燒，以及燃煤電站煙氣二氧化碳分離捕集等過程。這些新的膜材料和技術在國內的推廣應用，將為國內的經濟發展和環境保護作出一定貢獻。
該研究團隊的領導者，劍橋大學研究員Easan Sivaniah表示，我們還在大力研發新型膜材料和拓展新型膜的應用領域，正在將新型納米多孔膜應用到水處理、海水淡化、生物液體燃料及生物油組分分離、和新能源儲存技術等領域。
該論文的合作者包括劍橋大學材料系的Anthony K. Cheetham教授研究組成員、清華大學化學系吉巖副研究員、和卡塔爾大學化工系Shaheen A. Al-Muhtaseb教授。
該項目主要受英國工程和自然科學研究委員會（EPSRC）、卡塔爾國家科研基金（QNRF）、歐洲研究委員會（ERC）、國家留學基金委 “國家建設高水平大學公派研究生項目” 和東南大學的支持。
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（責任編輯：徐）
