交汇点讯 天然气里混了二氧化碳，不仅烧起来不顶用，还会腐蚀管道；石油炼化中，那些化学组成一样、仅空间结构不同的“分子双胞胎”，更是难以高效分离。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的老大难。近日，南京工业大学顾学红、王学瑞团队研发出“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略，成功制备出可规模化的高性能沸石分子筛膜，为工业气体分离装上了“精准筛选器”。研究成果发表于国际顶级期刊《自然·通讯》。

沸石分子筛膜，本质上是一款亚纳米级“气体分子筛”，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。”共同通讯作者顾学红介绍。

分子筛膜“从短到长”、“从单根到多根”放大合成

团队耗时五年提出“胚胎沸石介导缝合成膜”新策略，精准破解了这两大难题。论文第一作者游乐凯博士形象地比喻：“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。”

具体来说，该策略先做出短程有序的“胚胎沸石”作为反应中间体，再通过缩合反应，把沸石分子筛晶体缝成连续致密的沸石分子筛膜，精准控制膜层厚度与初始晶种层厚度相当。

胚胎沸石介导缝合成膜策略示意图基于这一策略，团队取得了三大突破。据论文共同通讯作者王学瑞介绍，一是更薄，沸石分子筛膜厚度降至560纳米，有效降低了气体穿透的阻力；二是更准，二氧化碳与甲烷分离选择性高达158，即透过300个分子中甲烷分子数量还不到2个，筛选气体分子的精准度高了；三是更大更通用，成功制备出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。“该策略在国际沸石协会（IZA）收录的三种不同拓扑结构的沸石分子筛（STT、CHA和MFI）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（百万分之两千五）硫化氢、饱和湿度的沼气提纯工况下，测试结果显示，该膜组件已稳定运行超过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，这项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实际应用，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。

  该技术的应用前景十分乐观。天然气销售前，需高效脱除二氧化碳，既能提升使用效果，也能避免腐蚀输气管道；氦气作为重要战略资源，主要从天然气中提取，高效分离技术尤为关键；石油炼化中，分离“分子双胞胎”同分异构体，是生产高附加值化工产品的关键。

传统深冷分离操作温度通常为气体分子液化温度，而沸石分子筛膜技术在室温下就能运行，能耗优势非常明显，有望推动相关行业的“低碳流程再造”和绿色升级转型。

新华日报·交汇点记者 谢诗涵

通讯员 杨芳