中國粉體網(wǎng)訊 2020年12月，中央經(jīng)濟工作會議把做好碳達峰、碳中和工作列為2021年八項重點任務(wù)之一。我國在應(yīng)對氣候變化方面不斷提高自己的目標，也為全球應(yīng)對氣候變化作出了積極貢獻。碳達峰、碳中和目標的提出，也是中國實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的內(nèi)在需求，是通往“美麗中國”的必經(jīng)之路�，F(xiàn)階段我國面臨碳排放總量大、碳減排時間短、經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級挑戰(zhàn)和能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型難度大等復(fù)雜挑戰(zhàn)。煤炭燃燒發(fā)電時排出的煙道氣經(jīng)脫硫、脫硝等工藝凈化后的主要成分是二氧化碳和氮氣。捕集煙道氣中的CO2是實現(xiàn)碳捕獲、利用與封存的重要環(huán)節(jié)，對降低溫室氣體排放、減少極端氣候的發(fā)生具有重要意義。
膜分離技術(shù)是當今世界上發(fā)展迅速的一項節(jié)能的CO2分離技術(shù)，它是一種較新的沒有相變的物理分離方法，具有設(shè)備簡單、占地面積小、操作方便、分離效率高、能耗低、環(huán)境友好且便于和其他方法集成等優(yōu)點，使得該技術(shù)研究和開發(fā)已成為世界各國在高新技術(shù)領(lǐng)域中競爭的熱點。
膜法 CO2 捕集是利用膜兩側(cè)壓力差作為推動力，根據(jù)各組分在膜中滲透速率的不同而實現(xiàn)氣體分離的過程。氣體分子在膜中的傳質(zhì)機理通�？梢苑譃槿芙�-擴散、促進傳遞和分子篩分機理。氣體分離膜的分離能力取決于膜材料的結(jié)構(gòu)及膜材料對不同氣體的選擇性。
1、膜分離技術(shù)類型
膜分離技術(shù)，顧名思義是通過膜使溶液中各組分進行分離、純化或濃縮。膜過濾的操作條件較為溫和，整個操作過程可實現(xiàn)機械化、自動化，且分離效率非常高。從分子水平即孔徑大小上，分離膜可分為微濾膜（MF）、超濾膜（UF）、納濾膜（NF）、反滲透膜（RO），它們各自的孔徑范圍、分離機理、推動力以及截留物質(zhì)等見表1。
（圖片來源：邱曉曼：膜分離技術(shù)及其在發(fā)酵調(diào)味品行業(yè)的應(yīng)用）
盡管目前研究的膜材質(zhì)很多，但其分離原理基本大同小異，即利用膜的選擇透過性，利用推動力，在膜組件之間進行傳質(zhì)以達到不同組分的分離，推動力一般是濃度差、壓力差、電勢差或者溫度差等。
2、膜材質(zhì)
早期用于CO2分離的膜多為有機膜，如聚氧乙烯、聚砜、聚酯等，但由于膜材料分離性能和穩(wěn)定性差，應(yīng)用受限。隨著材料科學(xué)的進步，膜材料的分離性能和穩(wěn)定性不斷提高，同時也開發(fā)出無機膜(如金屬、沸石、碳膜 等)和混合基質(zhì)膜，拓寬了應(yīng)用領(lǐng)域。混合基質(zhì)膜可以實現(xiàn)有機和無機材料的優(yōu)勢互補，在CO2分離方面潛力很大，被認為是未來分離膜領(lǐng)域最重要的發(fā)展方向之一。
2.1有機高分子膜材料
有機高分子膜制備過程具有相對簡單、能耗低、易于擴展等優(yōu)勢，且適用于大規(guī)模制造。有機高分子膜材料按照聚合物的形態(tài)可分為玻璃態(tài)和橡膠態(tài)2大類。玻璃態(tài)聚合物比橡膠態(tài)聚合物具有更低的鏈遷移能力和更穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)，因此，玻璃態(tài)聚合物具有更好的選擇性，但其缺點是滲透性差。橡膠態(tài)聚合物具有良好的滲透性，但在高壓下易膨脹和變形。
用于氣體分離的常用聚合物膜材料有醋酸纖維素、聚酰亞胺、聚礬和聚醚酰亞胺，它們均具有良好的氣體選擇性，但其氣體滲透系數(shù)均較低，而聚二甲基硅氧烷、聚三亞甲基硅烷丙炔等具有高氣體傳輸系數(shù)。
2.2無機高分子膜材料
無機膜是以無機材料制作而成的膜，因其具有耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、分離效率高、易清洗、易消毒以及膜的使用壽命長等優(yōu)勢，無機膜的研制及應(yīng)用已成為當前膜技術(shù)領(lǐng)域的一大研究開發(fā)熱點。無機膜可分為陶瓷膜、金屬膜、合金膜、分子篩復(fù)合膜、沸石膜和玻璃膜等，其中使用最多的是陶瓷膜。陶瓷分離膜是以多孔陶瓷為載體制成的分離材料，它主要是依據(jù)“篩分”理論，利用壓力差，實現(xiàn)混合物料的分離，一般用于微濾和超濾。目前開發(fā)的陶瓷膜材質(zhì)有二氧化鈦（TiO2）、氧化鋁(Al2O3)、氧化鈷(CoO)、氧化鋅(ZnO)、二氧化硅(SiO2)、碳化硅(SiC)、碳納米管(CNT)和氧化石墨烯(GO)等。其中，GＯ是一種新興的納米材料，在防污納米復(fù)合膜的開發(fā)中顯示出巨大的發(fā)展前景。
2.3混合基質(zhì)膜
在高分子聚合物（高分子相）中填充雜化粒子（分散的粒子相），通過無機填料和高分子聚合物之間的相互作用制得混合基質(zhì)膜（MMMs）。混合基質(zhì)膜既有高分子膜的成膜性高、不易破碎等優(yōu)點，又因在高分子基質(zhì)中引入了無機材料而優(yōu)化了高分子鏈的排布。在理想情況下，混合基質(zhì)膜結(jié)合了高分子相和分散的粒子相這2種相的優(yōu)點，即具有聚合物的加工性能和機械性能及分子篩的特殊輸運性能，使其在 CO2 分離方面具有潛在的優(yōu)勢。由于混合基質(zhì)膜存在聚合物與無機相的相容性問題，故只能允許適量的無機材料負載，獲得最佳的分散和界面接觸。對于填充有多孔填料顆粒的雜化膜，填料的篩分效果是提高性能的最關(guān)鍵因素。對于無機粒子沸石來說，表面形成的晶須狀結(jié)構(gòu)為聚合物鏈與沸石的連鎖提供了額外的粗糙度。
3、混合基質(zhì)膜填充劑
對于混合基質(zhì)膜的形成，良好的聚合物基體與無機填料之間的附著力是至關(guān)重要的，特別是當聚合物具有高Tg（玻璃化轉(zhuǎn)變溫度）、良好的力學(xué)性能和性能隨時間變化的穩(wěn)定性時更是如此。填充劑與聚合物的結(jié)構(gòu)特征和相互作用也面臨極大的挑戰(zhàn)。這些不同的填料對混合基質(zhì)膜的分離性能也有不同的影響。
3、1無機粒子填充劑
與聚合物基體結(jié)合，研究最多的填料有沸石、碳介孔二氧化硅和金屬有機骨架（MOF）。用于雜化的無機粒子通常包括碳納米管、分子篩、二氧化硅等。無機填料主要通過其結(jié)構(gòu)來控制膜的分離性能。然而，由于無機填料與聚合物膜基質(zhì)相容性差，膜中易團聚，故使膜的分離性能降低。發(fā)掘更多與聚合物膜相容性高的無機粒子是亟待解決的問題。
3、2有機填充劑
有機填料結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是可控且有較好的柔韌性，與聚合物基體相容性極好，但耐溶劑性和耐腐蝕性差，在苛刻的操作條件下不能保持良好的氣體分離性能。常見的有機填料包括多孔有機聚合物（POPs）、共價有機框架（COFs）等。
3、3金屬有機骨架填充劑
金屬-有機骨架材料（MOFs）是1種多孔網(wǎng)狀材料，是由有機配體和某些金屬陽離子通過配位鍵自組裝而成的。大多數(shù) MOFs 具有均勻的孔道大小，并呈現(xiàn)出三維網(wǎng)絡(luò)構(gòu)象。此外，相對于傳統(tǒng)的多孔材料（沸石分子篩、活性炭等），該材料具有結(jié)構(gòu)多樣、可調(diào)控等優(yōu)點。
由于MOFs的研究有效地結(jié)合了無機填料和有機填料的優(yōu)點，因此，在聚合物基體中填充MOFs，可以有效地提高膜的氣體分離性能。MOFs 材料與高分子基質(zhì)有極好的親和力，能有效地避免兩相之間的非選擇性間隙等問題，較大地提高膜的分離性能。MOFs 中的一類沸石咪唑骨架材料（ZIF）作為填充粒子能夠有效地提高基質(zhì)膜對于CO2氣體分離性能。
小結(jié)：
CO2 的全球排放量日益增長，帶來一系列環(huán)境問題，膜法CO2捕集因其綠色、高效、節(jié)能、操作靈活等優(yōu)勢而展示出極大的發(fā)展?jié)摿��；旌匣|(zhì)膜能有效地發(fā)揮有機和無機材料的協(xié)同作用，正成為CO2 膜材料滲透汽化分離的熱點和焦點。但在目前的工業(yè)應(yīng)用中，混合基質(zhì)膜仍受多種因素的制約。填充顆粒的聚集可能導(dǎo)致膜通量增加、保留率降低及長期使用后膜性能變差。因此，提高混合基質(zhì)膜的穩(wěn)定性是需要值得思考的問題。
參考文獻
楊敬國等：CO2 氣體分離膜研究進展
羅雙江等：膜法二氧化碳分離技術(shù)研究進展及展望
邱曉曼等：膜分離技術(shù)及其在發(fā)酵調(diào)味品行業(yè)的應(yīng)用
科技日報：新技術(shù)施展“膜”力 發(fā)電源頭高效捕碳
經(jīng)濟參考報：能源系統(tǒng)轉(zhuǎn)型對實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標至關(guān)重要
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/青黎）
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