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南京工業(yè)大學(xué)材料化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)顧學(xué)紅教授團(tuán)隊(duì)制備出一種高性能天然氣脫碳分子篩膜，實(shí)現(xiàn)二氧化碳和甲烷的高效分離。該成果近日刊發(fā)于國(guó)際頂級(jí)期刊《自然·通訊》。
“天然氣中的二氧化碳會(huì)降低燃料熱值并腐蝕輸送管道，因此天然氣進(jìn)入輸送管網(wǎng)前需進(jìn)行脫碳處理。”顧學(xué)紅介紹說(shuō)，天然氣碳排放量遠(yuǎn)低于煤炭和石油，是相對(duì)潔凈的化石能源，在未來(lái)的能源結(jié)構(gòu)調(diào)整中天然氣將發(fā)揮重要作用，對(duì)其進(jìn)行脫碳處理是一個(gè)關(guān)鍵的生產(chǎn)環(huán)節(jié)。
“膜分離用于天然氣中脫碳無(wú)需添加第三組分，能顯著降低分離能耗，具備環(huán)境友好性。”南京工業(yè)大學(xué)博士生杜鵬表示，用于天然氣脫碳的聚合物膜很受市場(chǎng)關(guān)注，但聚合物膜脫碳時(shí)甲烷損失高，且材料在高二氧化碳濃度下容易發(fā)生塑化，影響脫碳效果。
“較之聚合物膜來(lái)說(shuō)，沸石分子篩膜有效地?fù)P其‘長(zhǎng)’避其‘短’。”南京工業(yè)大學(xué)王學(xué)瑞教授介紹說(shuō)，沸石分子篩膜是一類無(wú)機(jī)膜材料，孔徑均一、分離性能和穩(wěn)定性高。“分子篩膜孔道規(guī)整，是一張完美的篩網(wǎng)，分離自如。”顧學(xué)紅分析，譬如篩豆子時(shí)將大顆粒的留存篩內(nèi)，小顆粒的漏至容器達(dá)到分離一樣，沸石分子篩膜也制作了一張?zhí)厥獾暮Y網(wǎng)，以通過(guò)網(wǎng)洞的大小實(shí)現(xiàn)大小不同的氣體分子篩分。團(tuán)隊(duì)制備的分子篩膜孔徑為0.36納米，介于動(dòng)力學(xué)直徑分別為0.33納米、0.38納米的二氧化碳與甲烷分子之間，因此二氧化碳可以透過(guò)膜而甲烷卻不能，以此實(shí)現(xiàn)了兩者分離。
“我們所制備的中空纖維DD3R分子篩膜最高的二氧化碳/甲烷的分離選擇性為1172，即每透過(guò)1172個(gè)二氧化碳分子僅有1個(gè)甲烷分子透過(guò)膜層，而商業(yè)聚合物膜的分離選擇性一般在50以內(nèi)。”王學(xué)瑞介紹，全硅型DD3R分子篩膜是理想的天然氣脫碳膜材料，但是DD3R分子篩膜在常規(guī)煅燒脫模板劑過(guò)程中晶體膨脹，會(huì)導(dǎo)致膜缺陷，使得分離性能喪失。
鑒于此，研究團(tuán)隊(duì)提出一種脫模板劑策略，即通過(guò)快速升溫、瞬時(shí)熱解，調(diào)控DD3R分子篩骨架柔性，再在中等溫度550℃下連續(xù)煅燒脫除模板劑，獲得無(wú)缺陷DD3R分子篩膜，遠(yuǎn)超現(xiàn)有同類分離膜的性能水平。
南京工業(yè)大學(xué)張玉亭副教授介紹，此方法具有很強(qiáng)的普適性。除DD3R分子篩膜以外，團(tuán)隊(duì)還利用該方法制備了高性能的SSZ-13和MFI型分子篩膜，提升了高溫模板劑脫除階段分子篩膜的成品率，有望解決高性能分子篩膜規(guī)模化制備的難題，從而推動(dòng)分子篩膜在天然氣脫碳、氫氣分離以及二氧化碳捕集等領(lǐng)域的應(yīng)用。
