英国剑桥大学发明一种新纳米多孔膜实现高效气体分离
2014-04-13 17:57:54
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据ChinaUnix网2013年5月29日讯 英国剑桥大学的科学家*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（Polymers of Intrinsic Microporosity，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Easan Sivaniah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Anthony K. 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Shaheen A. 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。