新型膜材料科研獲得新突破!國(guó)際頂刊《科學(xué)》發(fā)表南大團(tuán)隊(duì)重要進(jìn)展

記者近日從南京大學(xué)獲悉，該校化學(xué)化工學(xué)院郭盛團(tuán)隊(duì)與美國(guó)佐治亞理工學(xué)院Ryan P. Lively教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一種新型膜材料，可以實(shí)現(xiàn)有機(jī)烴類(lèi)低能耗、高效率的分離過(guò)程，這標(biāo)志著膜分離技術(shù)在可持續(xù)烴類(lèi)應(yīng)用上邁出重要一步。國(guó)際頂級(jí)期刊《科學(xué)》1月9日在線(xiàn)發(fā)布了這一重要進(jìn)展。

能源轉(zhuǎn)型大潮已至，由碳、氫元素組成的烴類(lèi)化合物由于是燃料以及有機(jī)化工品重要組成而備受關(guān)注，尤其是通過(guò)可再生資源形成的烴類(lèi)化合物更被視為未來(lái)燃料和化工品重要來(lái)源。然而，其高效分離純化一直是個(gè)難題，分離過(guò)程中的高能耗和碳排放一直阻礙著可持續(xù)烴類(lèi)化合物大規(guī)模應(yīng)用。

以目前廣泛應(yīng)用于液態(tài)烴類(lèi)分離的傳統(tǒng)蒸餾法為例，其過(guò)程中的能耗就相當(dāng)可觀(guān)。郭盛列舉數(shù)據(jù)說(shuō)，“我們國(guó)家工業(yè)能耗占全社會(huì)總能耗的67%，其中蒸餾這一項(xiàng)就占全社會(huì)總能耗的13%，是絕對(duì)的‘耗能大戶(hù)’。”此外，蒸餾法也非“萬(wàn)能”，在一些烴類(lèi)分離的場(chǎng)景無(wú)法應(yīng)用，“一些材料不受熱，在高溫蒸餾過(guò)程中就壞掉了。”

針對(duì)以上痛點(diǎn)，郭盛團(tuán)隊(duì)從膜材料入手，探索新的分離技術(shù)。“膜分離技術(shù)與蒸餾技術(shù)是不同賽道，各有優(yōu)勢(shì)，比如膜分離技術(shù)可以在室溫下進(jìn)行，但需要一定壓力推動(dòng)。”郭盛科普道，“我們所采用的膜分離技術(shù)過(guò)程，與大家熟知的海水淡化所運(yùn)用的反滲透技術(shù)類(lèi)似，利用半透膜的選擇透過(guò)性，在壓力作用下使水分子通過(guò)而留下鹽分。我們也是制備了特殊的半滲透膜，讓特定的化合物選擇性通過(guò)，從而完成烴類(lèi)化合物高精度、高通量的分離過(guò)程。”

方法聽(tīng)起來(lái)不難，但“選擇”的過(guò)程卻面臨巨大挑戰(zhàn)。液態(tài)烴類(lèi)混合物內(nèi)部的尺寸差異極小，在0.1-0.3納米左右。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的實(shí)驗(yàn)和探索，終于開(kāi)發(fā)出了一種具有亞納米微孔結(jié)構(gòu)的新型耐溶劑膜材料。這種膜材料具有很好的親油性，其微孔結(jié)構(gòu)可以根據(jù)分子的大小和形狀進(jìn)行精確篩選，實(shí)現(xiàn)小分子的優(yōu)先滲透過(guò)程。

在實(shí)驗(yàn)中，郭盛團(tuán)隊(duì)研發(fā)的膜材料在分離甲苯與三異丙基苯時(shí)表現(xiàn)優(yōu)秀，分離性能超出了當(dāng)前所有有機(jī)液態(tài)烴類(lèi)分離膜的性能上限。同時(shí)，對(duì)于烯烴與烷烴的復(fù)雜混合物，該材料表現(xiàn)出出色的分離能力，能夠通過(guò)多級(jí)分離將烯烴的純度由60%提升至95%，并在持續(xù)運(yùn)行170小時(shí)的測(cè)試中保持了穩(wěn)定的分離效率。后續(xù)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)分析表面，與傳統(tǒng)蒸餾方法相比，該技術(shù)能夠極大地降低分離過(guò)程的能耗與碳排放，凸顯了該技術(shù)的行業(yè)領(lǐng)先地位和良好的應(yīng)用前景。

郭盛表示，隨著全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的日益關(guān)注，該膜材料的應(yīng)用有望實(shí)現(xiàn)包括可持續(xù)航空燃料與精細(xì)化工品在內(nèi)的液態(tài)烴類(lèi)化工品的節(jié)能生產(chǎn)，“接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)和目標(biāo)之一就是將實(shí)驗(yàn)室成果的產(chǎn)學(xué)研轉(zhuǎn)化，打造成面向工業(yè)場(chǎng)景的成熟膜器件或產(chǎn)品。”