效率高,能耗低! 這項氣體分離技術為氫能產業發展注入“膜”力

2024年05月16日15:35:13 科學 1917

齊魯網·閃電新聞5月16日訊 隨着“碳達峰碳中和”目標的制定,大力推進綠色分離成為研究重點。氣體膜分離作為一種高效分離技術被廣泛研究,其中,膜材料是膜分離的基礎和核心。一般而言,滲透性越好分離效率越高。但如果提高膜的滲透性,往往雜質也會滲透進來;而如果提高膜對雜質的攔截性,滲透性就會降低,分離效率也會隨之下降。如何兼顧滲透性和攔截性,提高效率、降低能耗一直是行業難題。

近日,中國石油大學(華東)孫道峰教授團隊結合晶態多孔材料與高分子/氧化石墨烯材料的優勢,採用氧化石墨烯輔助成膜技術、界面聚合技術以及溶解加工策略構築了“剛柔並濟”的晶態多孔複合膜,實現了氫氣(H2)和二氧化碳(CO2)在常溫常壓下的高效分離,相比低溫精餾等傳統氣體分離技術,大幅降低分離能耗。同時該系列膜材料還可以克服經典高分子膜的滲透係數—選擇性“此消彼長”問題,實現高效率氫氣純化,並可以在200℃(含4mol%水蒸氣)的環境中保持良好的分離穩定性,且相較於商品化分離膜具有競爭性的成本,可謂是既“經濟”又“高效”,為氫氣純化的瓶頸問題提供了“用得上、用得好、用得起”的解決方案,為氫能產業發展注入了“膜”力。

效率高,能耗低! 這項氣體分離技術為氫能產業發展注入“膜”力 - 天天要聞

效率高,能耗低! 這項氣體分離技術為氫能產業發展注入“膜”力 - 天天要聞

“我們充分發揮晶態多孔材料的晶體工程設計優勢,系統調控金屬—有機框架(MOF)的配體、金屬節點和客體分子來實現分子篩分。”團隊骨幹康子曦教授表示,就跟日常見到工地紗網過濾沙石一樣,大顆粒的石頭會留在紗網上,小顆粒的沙子則會漏至紗網下面達到分離一樣,晶態多孔複合膜也製作了一張特別的篩網,在微觀上可以調整網洞孔徑達到0.30 nm,介於H2(0.28nm)和CO2(0.33nm)分子動力學直徑之間,因此H2可以透過膜而CO2卻不能,實現精準篩分;同時達到高H2滲透率和高CO2攔截性,克服高分子膜的“此消彼長”局限。

“我們最新開發的晶態多孔複合膜最高的H2/CO2的分離選擇性達到100以上,即每透過100個H2分子僅有1個CO2分子透過膜層,而商業高分子膜的分離選擇性一般在20以內,且滲透率遠低於我們開發的晶態多孔複合膜。”團隊骨幹范衛東副教授補充介紹說,該晶態多孔複合膜是理想的H2脫CO2材料,但是MOF晶體在水熱體系中由於金屬中心—有機配體之間配位鍵的斷裂導致框架解體,影響了其在實際氫氣分離條件下的穩定性。

鑒於此,孫道峰教授團隊提出強化鍵連作用提升晶態多孔材料水熱穩定性策略,利用晶體各向異性的特點,通過調控晶面取向,使表面能更低、配位鍵更少的穩定晶面暴露在外,從而提升MOF材料在水熱體系中的穩定性,氫氣分離選擇性提升了50%以上。

如何實現晶態多孔分離膜的擴大化製備是孫道峰教授等科研人員普遍遇到的從實驗室走向工廠的“最後一公里”難題。晶態多孔材料作為晶體本身是脆的,不易大面積加工製備。

研究團隊及時調整思路,嘗試將晶態多孔材料與其它材料複合,製備柔性複合膜用於氫氣的高效連續分離。通過選取具有二維結構的氧化石墨烯(GO)作為膜基質,創新性的利用GO的二維限域作用,在其層間將前驅物(氧化物)原位轉化為晶態多孔材料(分子篩和MOF),構築了晶態多孔材料/GO柔性複合膜,賦予了複合膜相較於其它晶態多孔膜不常具備的柔性,易於加工製成卷式或管式等高效率的膜組件,解決了晶態多孔分離膜的柔性問題,實現了“1+1>2”的高效純化效果。

效率高,能耗低! 這項氣體分離技術為氫能產業發展注入“膜”力 - 天天要聞

日前,晶態多孔複合膜的研究成果得到社會上不少企業的關注,孫道峰教授團隊接到了中國膜工業協會常務理事單位天維膜技術有限公司拋來的“橄欖枝”,他們依託山東省重大科技創新工程,進行相關膜材料的擴大化製備和產業化開發,實現平方分米和平方米尺寸的晶態多孔材料/GO柔性複合膜的加工。

依託山東省重大科技創新工程,相關技術已和山東天維膜技術有限公司合作進行產業化開發。中國膜工業協會常務理事單位、山東天維膜技術有限公司首席專家劉兆明對該項技術給予了高度評價:“該項技術使氫氣純化更加高效、節能,對推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、建立安全可持續發展的能源體系,具有重要的經濟和社會意義。”

“希望這項晶態多孔複合膜技術能夠得到快速推廣,助推解決氫能產業發展的瓶頸問題,真正為能源結構重整和環境保護注入‘膜’力。”孫道峰教授說。

閃電新聞記者 劉繼順 通訊員 楊安 馬曉晨 報道

科學分類資訊推薦

端午一過,蛇蟲出沒!被蛇咬傷怎麼辦? - 天天要聞

端午一過,蛇蟲出沒!被蛇咬傷怎麼辦?

央廣網合肥6月8日消息(記者 周然 見習記者 劉浩)夏季是毒蛇咬傷的高發季節,端午之後,蛇類活動頻繁。近日,央廣網記者就戶外活動如何防範蛇蟲叮咬及應急處理等問題,專訪了祁門蛇傷研究所所長倪永松。
錢學森、吳文俊、黃旭華……來看院士們的大學成績單 - 天天要聞

錢學森、吳文俊、黃旭華……來看院士們的大學成績單

從南洋公學到今日交大一批又一批學子邁入交大學府在各自的領域發光發熱為祖國的繁榮昌盛添磚加瓦准考證、註冊證、報名單承載着他們的青春記憶和夢想追求今天是高考第二天在人生重要的十字路口讓我們將時光倒流回上個世紀一睹這些跨越時光的珍貴物件回溯一代代
今天,“陽陽”回家! - 天天要聞

今天,“陽陽”回家!

6月7日記者從三亞市藍絲帶海洋保護協會獲悉經過一個多月的治療已具備野外放歸條件——擱淺被救助的糙齒海豚“陽陽”將於6月8日從三亞港務局碼頭啟程當天在距離三亞70海里外海域放歸大海6月8日,糙齒海豚“陽陽”放歸儀式在三亞海昌海洋生物保育中心舉
從“種珊瑚”到“育珊瑚” 海底“造林”有了新進展 - 天天要聞

從“種珊瑚”到“育珊瑚” 海底“造林”有了新進展

新華社南寧6月8日電(記者黃凱瑩、田子駿)世界海洋日來臨之際,廣西大學珊瑚礁科研團隊在地處北緯21°的廣西北海潿洲島海域收到了最好的“節日禮物”——歷經11年的堅守、探索和科研攻關,團隊在潿洲島海域實現珊瑚可控大量產卵。據了解,這一進展標誌着潿洲島海域成為全球氣候變化背景下珊瑚的“避難所”的可能性大增。珊...
澳大利亞野生鸚鵡街頭開飲水器排隊喝水,科學家:成當地鳥界傳統 - 天天要聞

澳大利亞野生鸚鵡街頭開飲水器排隊喝水,科學家:成當地鳥界傳統

近日,澳大利亞科學家的一項研究顯示,近年來,悉尼市區的野生鳳頭鸚鵡學會了自己開飲水器,還會排隊喝水。科學家形容,這已成為當地“鳥界的飲水傳統”。(澳大利亞野生鸚鵡街頭開飲水器排隊喝水。)2018年,一名研究員散步時,偶然拍到棲息在西悉尼的野生鳳頭鸚鵡集體使用飲水器的畫面,驚訝之下便開展了系統性的後續研究...
我國海洋能開發利用技術已邁入世界第一方陣 - 天天要聞

我國海洋能開發利用技術已邁入世界第一方陣

今天(8日)是第十七個“世界海洋日”和第十八個“全國海洋宣傳日”,今年的主題是“保護海洋生態系統 人與自然和諧共生”。我國持續加強紅樹林、珊瑚礁保護修復紅樹林、珊瑚礁是天然的“海岸衛士”,能有效消減風暴潮等自然災害,保護沿海社區和基礎設施。
今天,他們與“海底雨林”的故事,“浮”出了水面…… - 天天要聞

今天,他們與“海底雨林”的故事,“浮”出了水面……

海洋是地球生命的搖籃,珊瑚礁是海洋中的“熱帶雨林”,在維護生物多樣性等方面具有重要作用。在海南,有這樣一群人,在為守護這片“海底雨林”默默努力着,為海洋生態保護作出了積極貢獻。今年的6月8日,是第17個世界海洋日和第18個全國海洋宣傳日。
注意!600221,籌劃重大資產重組 - 天天要聞

注意!600221,籌劃重大資產重組

CAR-T療法正在以驚人的速度改變癌症治療市場版圖,在醫療領域展現出巨大的發展潛力。6月6日晚,海航控股(600221)發布公告稱,公司計劃以現金方式收購海南空港開發產業集團有限公司持有的天羽飛訓100%股權,交易金額7.99億元,根據相關