英國(guó)劍橋大學(xué)發(fā)明一種新納米多孔膜實(shí)現(xiàn)高效氣體分離
2014-04-13 17:57:54
admin
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據(jù)ChinaUnix網(wǎng)2013年5月29日訊 英國(guó)劍橋大學(xué)的科學(xué)家*近發(fā)明了一種新的納米多孔膜材料，可以極大的提高膜的選擇性，而膜的滲透性比傳統(tǒng)的商業(yè)化分離膜高100到1000倍。 研究人員表示，如果能制備成商業(yè)化組件，將有望變革膜分離技術(shù)。相關(guān)研究5月28日在線發(fā)表于《自然－通訊》雜志。
膜分離技術(shù)是21世紀(jì)的前沿技術(shù)，在能源、化工、石油、天然氣，冶金、環(huán)保、水處理、食品、醫(yī)藥、生物工程等諸多領(lǐng)域已經(jīng)得到較大規(guī)模地開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，“十二五”末中國(guó)的膜產(chǎn)業(yè)將達(dá)到千億級(jí)規(guī)模。氣體膜分離技術(shù)根據(jù)不同氣體分子滲透性的不同，可以實(shí)現(xiàn)低能耗的選擇性分離，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于空氣分離、氫氣回收和凈化，天然氣凈化、石油裂解氣氫氣回收，烯烴和烷烴分離等方面。傳統(tǒng)已商業(yè)化的氣體分離膜材料，滲透性和選擇性相互限制，亟需開(kāi)發(fā)新型高性能膜分離材料。
微孔有機(jī)聚合物是近年來(lái)新研發(fā)的納米多孔材料，在氣體存儲(chǔ)、吸附、分離和催化等應(yīng)用領(lǐng)域極具潛力，其中自具微孔聚合物（Polymers of Intrinsic Microporosity，PIMs）可以用常見(jiàn)的有機(jī)溶劑溶解，容易加工處理成任意形狀，具有廣闊的應(yīng)用前景。該類聚合物具有剛性而且扭曲的基團(tuán)結(jié)構(gòu)，可以避免高分子鏈緊密堆積，從而形成大量相通的微孔（小于2納米）和超微孔（小于1納米）。理想的分離膜就像篩子一樣，小的氣體分子可以快速濾過(guò)，大的分子被截留，微孔有機(jī)聚合物的孔徑分布較寬，氣體分離的選擇性受到限制。劍橋大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)采用自具微孔有機(jī)聚合物，制備成薄膜，通過(guò)紫外光輻照，引發(fā)膜表面的聚合物氧化，促使鏈緊密排列，孔徑變窄。研究人員測(cè)試了該合成膜對(duì)于氫氣，二氧化碳，氧氣，氮?dú)夂图淄榈裙I(yè)氣體的分離特性，膜的選擇性接近或高于傳統(tǒng)的氣體分離膜材料，而膜的滲透性比目前工業(yè)用膜材料高100到1000倍。
論文的第一作者，劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室的國(guó)家公派博士生宋啟磊表示，我們的方法非常簡(jiǎn)單，從反應(yīng)工程學(xué)的角度，通過(guò)改變光化學(xué)反應(yīng)條件，在分子尺度調(diào)控膜內(nèi)微孔的大小和分布，從而提高膜的分離性能。通過(guò)本論文的研究，我們對(duì)材料的物理化學(xué)特性有了更深入的理解，有望開(kāi)發(fā)出更好的膜材料和技術(shù)應(yīng)用。針對(duì)中國(guó)以煤燃燒發(fā)電為主的國(guó)情，膜分離技術(shù)有著特別重要的應(yīng)用前景，比如用于大規(guī)模空氣分離制氧實(shí)現(xiàn)煤的富氧清潔燃燒，以及燃煤電站煙氣二氧化碳分離捕集等過(guò)程。這些新的膜材料和技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用，將為國(guó)內(nèi)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)作出一定貢獻(xiàn)。
該研究團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者，劍橋大學(xué)研究員Easan Sivaniah表示，我們還在大力研發(fā)新型膜材料和拓展新型膜的應(yīng)用領(lǐng)域，正在將新型納米多孔膜應(yīng)用到水處理、海水淡化、生物液體燃料及生物油組分分離、和新能源儲(chǔ)存技術(shù)等領(lǐng)域。
該論文的合作者包括劍橋大學(xué)材料系的Anthony K. Cheetham教授研究組成員、清華大學(xué)化學(xué)系吉巖副研究員、和卡塔爾大學(xué)化工系Shaheen A. Al-Muhtaseb教授。
該項(xiàng)目主要受英國(guó)工程和自然科學(xué)研究委員會(huì)（EPSRC）、卡塔爾國(guó)家科研基金（QNRF）、歐洲研究委員會(huì)（ERC）、國(guó)家留學(xué)基金委 “國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目” 和東南大學(xué)的支持。