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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

文章來源：新能源網更新時間：2024-03-12 16:22:27

近日，中國科學院大連化學物理研究所節能與環境研究部膜材料工程研究組研究員任吉中團隊，在中空纖維炭分子篩膜（中空纖維炭膜）方面取得進展。

中空纖維炭膜超薄皮層調控新策略

炭膜由聚合物前驅體在惰性環境中經過高溫熱解而成，具有優異的耐熱和耐化學腐蝕的性能以及豐富的超微孔結構，在氣體分離方面頗具應用潛力。中空纖維膜前軀體在高溫炭化過程中，其多孔支撐層易塌陷，導致分離層厚度較大，增加了氣體分子的傳質阻力。因此，如何降低分離層厚度是發展高性能中空纖維炭膜的關鍵。

該團隊在既往成果的基礎上，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體調控炭膜結構，可將皮層厚度減小到1微米以下，進而降低氣體分子傳質阻力，提升H2/CH4和H2/N2分離性能。

相關研究成果以Carbon Molecular Sieve Membranes with Ultra-Thin Selective Skin Layer by Pyrolysis of Porous Hollow Fibers為題，發表在Small上，并被選入Hot Topic。研究工作得到國家重點研發計劃等的支持。

中空纖維膜比較突出的特點是什么

中空纖維膜比較突出的特點主要有以下幾點：

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

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

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

4.穩定性好：中空纖維膜在水中運行時，不容易發生變形、堵塞等問題，具有較高的穩定性。

5.適應性強：中空纖維膜可根據不同的水質條件和處理要求進行調整和改變，具有較強的適應性。

6.節能環保：相對于傳統的水處理方法，中空纖維膜技術具有節能、環保等優勢，在水處理領域得到廣泛應用。

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交叉形成的新型膜產品，是分離膜領域中發展最快、規模最大、產值最高的一類新型膜技術產品。與卷式膜等其他類型分離膜相比，中空纖維膜具備耐壓性能好、無需支撐體、在膜組件內裝填密度大、單位體積膜面積大、通量大等優勢。就目前而言，我國雖然在反滲透、超濾和微濾等膜材料、組件及裝置方面已經建立了較為完備的研發與產業體系，具有較強的國際影響力和競爭力，但膜科學基礎及應用研究與國際頂尖水平仍有差距，高精度、高性能、特種分離膜產品與國際一流產品相比仍有較大差距，龐大的高端膜市場仍被國外企業壟斷。面對發達國家對高端技術的封鎖局面，推動我國中空纖維膜技術和產業創新發展的需求日趨緊迫。

當前制備中空纖維膜的材料主要包括高分子和無機材料，高分子膜占據主要氣體膜分離市場，但是存在羅伯遜（Robeson）上限問題。采用無機炭材料制作氣體分離膜，具有“外柔內剛”的特性，密度比傳統氧化鋁膜輕，并兼有耐腐蝕、耐疲勞、高性能等優勢。按照未來發展趨勢，用戶對膜使用條件的要求必然越來越高，如耐高溫、耐有機溶劑、耐酸、耐堿等，其中有些要求是高分子膜材料無法滿足的。相對的，炭中空纖維膜材料和結構特點決定了它能夠滿足這些苛刻條件。

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炭化這一步驟就困難重重：預炭化過程中易發生纖維粘連和糾纏，這不僅損傷纖維表面，而且會阻礙預炭化過程中反應熱的釋放，造成過熱和纖維斷裂。預炭化過程中，對氧氣濃度、加熱速率、炭化溫度和炭化時間的要求極其嚴苛，炭化溫度越高，氣體篩分性能越好，但是會降低其機械性能，炭化溫度直接影響炭中空纖維膜的力學性能和氣體分離性能。

國外長期從事中空纖維膜開發的企業眾多，而且早在20世紀70年代就開始了研究，在成果轉化方面具有先天優勢。而我國中空纖維膜的研發依然以高等院校、科研院所為主，大體仍處于基礎研究階段；基礎研發與產業需求往往脫節，成果轉移和轉化存在障礙。在我國亟須實現“雙碳”目標的重大背景下，面對社會日益增長的節能減排要求，如何制備性能滿足實際分離應用需求的中空纖維膜，從而大幅降低分離過程的能耗及碳排放，仍是當前膜領域面臨的重大難題……這樣的局面人備感憂慮，然而，國外的中空纖維膜制備技術已經遙遙領先，其經驗只能借鑒，不能照搬，一切還要立足于我國實際情況，以發展的眼光看待問題，爭取彎道超車，早日成為世界膜強國。當前，如何最大限度地發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業化優勢……這些問題的答案，我國研究人員們仍在探索。

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來源：賢集網
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