特制的MOF基混合基质膜表现出极高的CO2/CH4分离效果

youwuyang

天然气主要由作为重要商品和化工原料的甲烷（CH4）组成，并含有少量的二氧化碳（CO2）。尽管未加工的天然气中包含各种各样的杂质，但是天然气纯化的一个重要步骤是除去腐蚀天然气管道的二氧化碳。作为成熟又高效的除去二氧化碳的方法，常规的胺溶液吸收法也存在着一系列明显的缺点。

近年来，相比于胺溶液吸收法，膜分离技术被认为是非常有前途和高能效的技术，尤其表现在设计灵活性、占用面积小及相对环保等方面上。然而，现有的聚合物膜材料在膜内渗透性和选择性的权衡（或“博弈”）方面受限，无机膜材料则面临着大规模生产与成本控制的问题。混合基质膜（或称为杂化膜，MMMs），由分散的微粒相（填充剂）和连续的聚合物相（聚合物基质）通过填料与基质之间的相互作用构成，进而可以兼具聚合物膜和无机膜的优点。例如分子筛、介孔硅颗粒、活性炭、碳纳米管以及金属-有机框架材料（MOFs）已经被广泛用作填充剂引入到高分子基质中制作混合基质膜。作为适用的混合基质膜需要在分散的和连续的组分保持平衡，而在这一点上，MOFs因其骨架中的有机部分与高分子基质的高相容性，而引起特别的关注。然而，相对于单纯的母体聚合物膜材料，很少有文献报道MOF填充的混合基质膜表现出CO2高渗透性以及CO2/CH4高选择性。

近日，美国佐治亚理工学院William Koros教授（通讯作者）团队，联合沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的M. Eddaoudi教授团队，在未改变MOF或聚合物的组成下，通过精心搭配，将Y-fum-fcu-MOF与6FDA-DAM聚酰亚胺膜结合制成MOF基混合基质膜，用于CO2/CH4的分离，表现出超乎寻常的高选择性。同时，他们通过控制温度（温度范围从233 K到338 K）可以达到精细调节MOF基混合基质膜的CO2/CH4分离选择性。尤其是，随着温度从308 K降到233 K，MOF基混合基质膜表现出极高的CO2/CH4选择性（≈130），达到4倍的增长，同时CO2的渗透性超过1000 barrers。该成果以题为“Enhanced CO2/CH4 Separation Performance of a Mixed Matrix Membrane Based on Tailored MOF-Polymer Formulations”发表在Adv. Sci.上