新研究助力工业气体实现高效精准分离

科技日报南京3月31日报道，天然气一旦混入二氧化碳，不仅燃烧效果大打折扣，还容易造成管道腐蚀。在石油炼化环节，许多只有分子结构排列不同的“分子双胞胎”更是难分难解，一直困扰着高效分离的实现。不少企业为此头疼多年。如今，这一难关迎来了突破。记者从南京工业大学了解到，顾学红和王学瑞带领的团队开发出一种全新的“胚胎沸石介导缝合成膜”技术，制造出高性能、可大规模应用的沸石分子筛膜，为空气和工业气体的精准筛分提供了新利器。相关科研成果已发表在《自然·通讯》杂志上。

在能源化工领域，如何批量制备新型分离材料，降低气体分离的能耗一直是行业亟需解决的难题。沸石分子筛膜因其表面分布着无数只有亚纳米级的小孔，可以精准拦截、放行特定尺寸的分子，被寄予厚望用于气体混合物的高效分离。

顾学红介绍，传统的沸石分子筛膜一直有两个“大毛病”：一来膜太厚，气体分子通过时阻力大，效率不高；二来从实验室样本做到工业级产品，容易出现“漏洞”，导致分离能力大幅削弱。

为解决这两个难题，团队创新提出并实践了五年，把“胚胎沸石介导缝合成膜”策略落地。论文第一作者游乐凯形象地比喻：原来像是在坑洼石子路上铺沥青，难免缝隙还在，新方法就像用针线将分子筛单独晶体从原子层面一一“缝合”，最终织成一张无缝隙、致密牢靠的分离膜。

具体做法是，先制备一种有序短程结构的“胚胎沸石”作为中间体，然后通过一系列化学反应，把分子筛晶体一丝不苟地缝接起来，控制膜的厚度精准达到预期目标，几乎等同于最初晶种层的厚度。

依托这一新策略，团队实现了三项突破。据王学瑞介绍，第一，膜层变得极薄，最薄只达560纳米，大大减少了气体穿透时的阻力；第二，分离的精度显著提升，例如二氧化碳和甲烷的分离选择性飙升到158比例，也就是说每通过300个分子，漏掉的甲烷不超过2个；第三，成功开发出长达40厘米、包含102根中空纤维的0.5平方米分子筛膜芯，实现了从实验室样品向工业级组件的重大跨越，且通用性强。

顾学红表示，这项新技术将为沸石分子筛膜在天然气提氦、天燃气脱碳以及同分异构体分离等工业气体分离领域提供坚实的技术保障，助力相关产业绿色高效升级。