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科学家发明纳米多孔膜实现高效气体分离

发布时间:2019-10-12 20:16:43

英国剑桥大学的科学家最近发明了一种新的纳米多孔膜材料,可以极大的提高膜的选择性,而膜的渗透性比传统的商业化分离膜高100到1000倍。研究人员表示,如果能制备成商业化组件,将有望变革膜分离技术。相关研究5月28日在线发表于《自然—通讯》杂志。

膜分离技术是21世纪的前沿技术,在能源、化工、石油、天然气,冶金、环保、水处理、食品、医药、生物工程等诸多领域已经得到较大规模地开发和应用,产生了巨大的经济和社会效益,“十二五”末中国的膜产业将达到千亿级规模。气体膜分离技术根据不同气体分子渗透性的不同,可以实现低能耗的选择性分离,已经广泛应用于空气分离、氢气回收和净化,天然气净化、石油裂解气氢气回收,烯烃和烷烃分离等方面。传统已商业化的气体分离膜材料,渗透性和选择性相互限制,亟需开发新型高性能膜分离材料。

微孔有机聚合物是近年来新研发的纳米多孔材料,在气体存储、吸附、分离和催化等应用领域极具潜力,其中自具微孔聚合物(PolymersofIntrinsicMicroporosity,PIMs)可以用常见的有机溶剂溶解,容易加工处理成任意形状,具有广阔的应用前景。该类聚合物具有刚性而且扭曲的基团结构,可以避免高分子链紧密堆积,从而形成大量相通的微孔(小于2纳米)和超微孔(小于1纳米)。理想的分离膜就像筛子一样,小的气体分子可以快速滤过,大的分子被截留,微孔有机聚合物的孔径分布较宽,气体分离的选择性受到限制。剑桥大学的研究团队采用自具微孔有机聚合物,制备成薄膜,通过紫外光辐照,引发膜表面的聚合物氧化,促使链紧密排列,孔径变窄。研究人员测试了该合成膜对于氢气,二氧化碳,氧气,氮气和甲烷等工业气体的分离特性,膜的选择性接近或高于传统的气体分离膜材料,而膜的渗透性比目前工业用膜材料高100到1000倍。

论文的第一作者,剑桥大学卡文迪许实验室的国家公派博士生宋启磊表示,我们的方法非常简单,从反应工程学的角度,通过改变光化学反应条件,在分子尺度调控膜内微孔的大小和分布,从而提高膜的分离性能。通过本论文的研究,我们对材料的物理化学特性有了更深入的理解,有望开发出更好的膜材料和技术应用。针对中国以煤燃烧发电为主的国情,膜分离技术有着特别重要的应用前景,比如用于大规模空气分离制氧实现煤的富氧清洁燃烧,以及燃煤电站烟气二氧化碳分离捕集等过程。这些新的膜材料和技术在国内的推广应用,将为国内的经济发展和环境保护作出一定贡献。

该研究团队的领导者,剑桥大学研究员EasanSivaniah表示,我们还在大力研发新型膜材料和拓展新型膜的应用领域,正在将新型纳米多孔膜应用到水处理、海水淡化、生物液体燃料及生物油组分分离、和新能源储存技术等领域。

该论文的合作者包括剑桥大学材料系的AnthonyK.Cheetham教授研究组成员、清华大学化学系吉岩副研究员、和卡塔尔大学化工系ShaheenA.Al-Muhtaseb教授。

该项目主要受英国工程和自然科学研究委员会(EPSRC)、卡塔尔国家科研基金(QNRF)、欧洲研究委员会(ERC)、国家留学基金委“国家建设高水平大学公派研究生项目”和东南大学的支持。

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