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另辟蹊徑，研究人員找到制備超薄皮層中空纖維炭膜新策略
文章來(lái)源：新能源網(wǎng)     更新時(shí)間：2024-03-12 16:22:27
近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所節(jié)能與環(huán)境研究部膜材料工程研究組研究員任吉中團(tuán)隊(duì)，在中空纖維炭分子篩膜（中空纖維炭膜）方面取得進(jìn)展。



中空纖維炭膜超薄皮層調(diào)控新策略



炭膜由聚合物前驅(qū)體在惰性環(huán)境中經(jīng)過(guò)高溫?zé)峤舛桑哂袃?yōu)異的耐熱和耐化學(xué)腐蝕的性能以及豐富的超微孔結(jié)構(gòu)，在氣體分離方面頗具應(yīng)用潛力。中空纖維膜前軀體在高溫炭化過(guò)程中，其多孔支撐層易塌陷，導(dǎo)致分離層厚度較大，增加了氣體分子的傳質(zhì)阻力。因此，如何降低分離層厚度是發(fā)展高性能中空纖維炭膜的關(guān)鍵。



該團(tuán)隊(duì)在既往成果的基礎(chǔ)上，提出了新穎有效的制備超薄皮層中空纖維炭膜的方法。該方法利用高氣體通量的多孔中空纖維膜作為前驅(qū)體調(diào)控炭膜結(jié)構(gòu)，可將皮層厚度減小到1微米以下，進(jìn)而降低氣體分子傳質(zhì)阻力，提升H2/CH4和H2/N2分離性能。



相關(guān)研究成果以Carbon Molecular Sieve Membranes with Ultra-Thin Selective Skin Layer by Pyrolysis of Porous Hollow Fibers為題，發(fā)表在Small上，并被選入Hot Topic。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃等的支持。



中空纖維膜比較突出的特點(diǎn)是什么



中空纖維膜比較突出的特點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn)：



1.高效：中空纖維膜具有高通量和高截留率的特點(diǎn)，能夠高效地過(guò)濾水中的溶解物、懸浮物和微生物等。



2.耐用：中空纖維膜采用高強(qiáng)度材料制成，具有較好的耐磨損性和耐腐蝕性，使用壽命長(zhǎng)。



3.可清洗：中空纖維膜可進(jìn)行反沖洗和化學(xué)清洗等操作，能夠有效地清除膜面附著物，保障膜的過(guò)濾性能。



4.穩(wěn)定性好：中空纖維膜在水中運(yùn)行時(shí)，不容易發(fā)生變形、堵塞等問(wèn)題，具有較高的穩(wěn)定性。



5.適應(yīng)性強(qiáng)：中空纖維膜可根據(jù)不同的水質(zhì)條件和處理要求進(jìn)行調(diào)整和改變，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。



6.節(jié)能環(huán)保：相對(duì)于傳統(tǒng)的水處理方法，中空纖維膜技術(shù)具有節(jié)能、環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，在水處理領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。



探尋中空纖維膜之道



中空纖維膜是功能纖維材料與分離膜技術(shù)交叉形成的新型膜產(chǎn)品，是分離膜領(lǐng)域中發(fā)展最快、規(guī)模最大、產(chǎn)值最高的一類(lèi)新型膜技術(shù)產(chǎn)品。與卷式膜等其他類(lèi)型分離膜相比，中空纖維膜具備耐壓性能好、無(wú)需支撐體、在膜組件內(nèi)裝填密度大、單位體積膜面積大、通量大等優(yōu)勢(shì)。就目前而言，我國(guó)雖然在反滲透、超濾和微濾等膜材料、組件及裝置方面已經(jīng)建立了較為完備的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)體系，具有較強(qiáng)的國(guó)際影響力和競(jìng)爭(zhēng)力，但膜科學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用研究與國(guó)際頂尖水平仍有差距，高精度、高性能、特種分離膜產(chǎn)品與國(guó)際一流產(chǎn)品相比仍有較大差距，龐大的高端膜市場(chǎng)仍被國(guó)外企業(yè)壟斷。面對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)高端技術(shù)的封鎖局面，推動(dòng)我國(guó)中空纖維膜技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的需求日趨緊迫。



當(dāng)前制備中空纖維膜的材料主要包括高分子和無(wú)機(jī)材料，高分子膜占據(jù)主要?dú)怏w膜分離市場(chǎng)，但是存在羅伯遜（Robeson）上限問(wèn)題。采用無(wú)機(jī)炭材料制作氣體分離膜，具有“外柔內(nèi)剛”的特性，密度比傳統(tǒng)氧化鋁膜輕，并兼有耐腐蝕、耐疲勞、高性能等優(yōu)勢(shì)。按照未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，用戶(hù)對(duì)膜使用條件的要求必然越來(lái)越高，如耐高溫、耐有機(jī)溶劑、耐酸、耐堿等，其中有些要求是高分子膜材料無(wú)法滿(mǎn)足的。相對(duì)的，炭中空纖維膜材料和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了它能夠滿(mǎn)足這些苛刻條件。



然而，制備炭中空纖維膜并不是一件容易的事情，僅僅是完成中空纖維原絲的預(yù)炭化這一步驟就困難重重：預(yù)炭化過(guò)程中易發(fā)生纖維粘連和糾纏，這不僅損傷纖維表面，而且會(huì)阻礙預(yù)炭化過(guò)程中反應(yīng)熱的釋放，造成過(guò)熱和纖維斷裂。預(yù)炭化過(guò)程中，對(duì)氧氣濃度、加熱速率、炭化溫度和炭化時(shí)間的要求極其嚴(yán)苛，炭化溫度越高，氣體篩分性能越好，但是會(huì)降低其機(jī)械性能，炭化溫度直接影響炭中空纖維膜的力學(xué)性能和氣體分離性能。



國(guó)外長(zhǎng)期從事中空纖維膜開(kāi)發(fā)的企業(yè)眾多，而且早在20世紀(jì)70年代就開(kāi)始了研究，在成果轉(zhuǎn)化方面具有先天優(yōu)勢(shì)。而我國(guó)中空纖維膜的研發(fā)依然以高等院校、科研院所為主，大體仍處于基礎(chǔ)研究階段；基礎(chǔ)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)需求往往脫節(jié)，成果轉(zhuǎn)移和轉(zhuǎn)化存在障礙。在我國(guó)亟須實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重大背景下，面對(duì)社會(huì)日益增長(zhǎng)的節(jié)能減排要求，如何制備性能滿(mǎn)足實(shí)際分離應(yīng)用需求的中空纖維膜，從而大幅降低分離過(guò)程的能耗及碳排放，仍是當(dāng)前膜領(lǐng)域面臨的重大難題……這樣的局面人備感憂(yōu)慮，然而，國(guó)外的中空纖維膜制備技術(shù)已經(jīng)遙遙領(lǐng)先，其經(jīng)驗(yàn)只能借鑒，不能照搬，一切還要立足于我國(guó)實(shí)際情況，以發(fā)展的眼光看待問(wèn)題，爭(zhēng)取彎道超車(chē)，早日成為世界膜強(qiáng)國(guó)。當(dāng)前，如何最大限度地發(fā)揮中空纖維膜的性能、如何制造配套膜組件、采用何種組裝方式才使其具備產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢(shì)……這些問(wèn)題的答案，我國(guó)研究人員們?nèi)栽谔剿鳌?/span>



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