南工大攻克分子筛膜规模化制备难题

实现新型分离材料的规模化制备，降低气体分离的能耗，一直是能源化工行业需要攻克的难题。近日，南京工业大学顾学红教授、王学瑞教授团队研发出“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略，实现规模化生产高性能沸石分子筛膜，为工业气体分离装上了“精准筛选器”。

沸石分子筛膜本质上是一款亚纳米级“气体分子筛”，其表面布满超小细孔，只让特定尺寸的分子通过，从而实现精准分离。“传统沸石分子筛膜制备存在两大痛点。一是膜层太厚，气体分子穿过膜的阻力大、跑得慢;二是从实验室规格膜样品放大到工业规格膜产品，容易出现缺陷，导致分离效果大打折扣。”顾学红介绍说。

针对以上问题，研究团队潜心研究5年，提出“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略，精准破解了这两大难题。研究团队成员游乐凯博士形象地比喻道：“传统膜层内缝隙的消除，就像在石子路上铺沥青，而新策略就像拿一根‘针线’，把沸石分子筛晶体从原子层面实现精准‘缝合’，形成‘无缝衔接’的分离膜。”

基于这一策略，团队取得了三大突破。王学瑞介绍说，一是沸石分子筛膜厚度降至560纳米，降低了气体穿透的阻力;二是二氧化碳与甲烷分离选择性高达158，即每透过300个气体分子，其中的甲烷分子数量不超2个;三是制备出40厘米长、102根中空纤维分子筛膜组成的0.5平方米膜组件，实现从实验室样品到工业级组件的跨越。经过测试，该策略在国际沸石协会收录的3种不同拓扑结构的沸石分子筛中均适用，普适性良好。

膜的放大制备只是第一步，能否在真实工业环境中稳定运行才是关键。团队将膜组件置于含2500ppm硫化氢、饱和湿度的沼气提纯工况下进行测试。测试结果显示，该膜组件稳定运行超过220天，能同步实现二氧化碳、水和硫化氢的渗透，经住了严苛工况的考验。

顾学红表示，该成果为沸石分子筛膜在天然气提氦、天然气(沼气)脱碳、同分异构体分离等工业气体分离领域的应用提供了可行的技术路径。目前，团队正推进技术进一步放大，以实现其在工业现场更广泛应用。