任性“膜”！只允许二氧化碳“通行”？

作者：莫尊理 吕文博

日前，最新一期国际期刊《自然·能源》报道了一国际科研团队开发的新型膜技术，能有效利用湿度差从空气中分离二氧化碳，这有助于治理因二氧化碳过度排放引发的环境问题。分离膜技术的发展为二氧化碳的捕获分离提供了新途径，可帮助人类早日实现碳中和目标。

膜是具有选择性分离功能的材料，鉴于分离对象有液体和气体，因此可分为液体分离膜与气体分离膜。高性能二氧化碳气体分离膜是当今工业领域研发的重点。气体分离膜可用于将混合气体中的二氧化碳分离，能选择性地允许二氧化碳通过，并根据分子大小、形状或亲和力等因素限制其他气体进出。

膜的材料、厚度、孔径、压差、渗透率，以及选择性等因素都能影响膜的性能。含有二氧化碳的混合污染气源往往包含硫氧化物与氮氧化物，因此需要将二氧化碳从混合气体中选择性分离出来，从而控制其排放含量。

气体分离膜可由多种材料制成，包括有机聚合物、无机材料、混合基质材料。

有机聚合物膜成本较低，可大规模制造。各种有机聚合物膜可进行二氧化碳分离，例如醋酸纤维素、聚砜、聚醚砜、聚丙烯酸酯、聚酰胺等。但要注意，有机聚合物材料耐酸性较差，当二氧化碳混合在酸性气体中时选择性较差，因而其浓度不应过高。它适用于处理天然气、油田产生的气体中低浓度二氧化碳的脱除和富集。

无机膜使用多孔无机材料制备，例如，沸石分子筛、二氧化硅陶瓷等。无机膜热稳定性更为出色，适用于分离高温烟气中的二氧化碳。二氧化硅陶瓷膜通常选用氧化铝、氧化锆、氧化钛等作为基体，通过高温烧结成膜。陶瓷结构具有很强的表面与界面效应，以及出色的选择性能。沸石是一种碱土金属铝硅酸盐矿物，有规则的孔隙，被用于制造沸石分子筛膜。沸石膜具有高选择性、高渗透性、热稳定性等优点，在二氧化碳分离应用中具有重要价值。南京工业大学顾学红教授团队设计的中DD3R沸石分子筛膜分离二氧化碳、甲烷混合气时，分离选择性可达1172，即每透过1172个二氧化碳分子仅有1个甲烷分子透过膜层。

混合基质膜中，有机聚合物作为基体，无机组分作为填充材料。无机填料通常包括金属有机框架、共价有机框架、碳纳米管、氧化石墨烯等，它们以纳米粒子或微粒的形式分散在基体中，协同构成混合基质膜。

混合基质膜兼具有机聚合物的柔韧性与无机组分的多孔特性，在二氧化碳分离中往往展现出较高的渗透率与选择性。新疆石河子大学李雪琴教授团队将共价有机框架集成到金属有机框架材料中，成功制备了新型复合材料，随后将其掺入聚醚嵌段聚酰胺基质中，制备了混合基质膜用于二氧化碳分离。与纯聚醚嵌段聚酰胺膜相比，混合基质膜分离性能显著提高。研究发现，复合材料能暴露出更多的路易斯碱性位点和开放金属位点，从而增强了混合基质膜对二氧化碳的选择性。

与传统分离技术相比，分离膜技术成本低、易于规模化，门槛相对较低。然而，作为一项年轻的技术，二氧化碳分离膜在工业界的发展还有待推进，应将研究与实际生产接轨，用“膜”法助力碳中和。

（作者莫尊理系西北师范大学教授、博士生导师，吕文博系西北师范大学硕士研究生）