Page 90 - 《精细化工》2022年第8期

·1590· 精细化工 FINE CHEMICALS 第 39 卷

其中，聚酰亚胺膜材料的综合性能最为优异， 能和连续工作稳定性。ZHANG 等 [50] 将沸石咪唑
但还存在气体渗透通量较低、溶解性较差等问题。 盐骨架（ZIF-8）和羧基化碳纳米管（CNT）复合，
无机膜是指利用沸石、二氧化硅、金属等无 并嵌入聚醚嵌段聚酰胺（Pebax）基质，制备了一
机材料加工而成的固态膜。无机膜的优势在于可 种复合混合基质膜。结果表明，ZIF-8 与 CNT 的
在高温高压条件下使用，具有机械强度高、热稳 复合增加了混合基质膜的自由体积，提高了 CO 2
定性好、化学性质稳定、使用寿命长等特点。沸 吸附性能（CO 2 渗透性为 225.5 bar，CO 2/N 2 选择
石膜是无机膜中较为常见的一类，由于具有孔径 性为 48.9）。此外，CNT 和 ZIF-8 之间的相互作用
均匀、硅铝比及表面性质可调的优点，可制备出 为 CO 2 提供了快速的传输通道，并改善了混合基
不同结构、孔径和表面性质的沸石膜。但无机膜 质膜的力学性能。
还存在加工性能差的问题，在大规模生产中难以 3.2 膜分离法应用研究进展
制备出均匀、无缺陷的无机膜，因此，制造成本 膜分离技术具有环境友好、操作简单、设备
昂贵，成本约为相同面积聚合物膜的 10 倍。 投资少、占地面积小、分离纯度高等优点，在 CO 2
鉴于聚合物膜渗透性和选择性相互制约、易 捕集领域具有广阔的应用前景和发展潜力。表 5
塑化老化；无机膜生产成本高、加工性能差，一 为不同种类的膜在材料成本、分离性能和使用寿
种新型的混合基质膜（MMMs）受到广泛的关注 命方面的优缺点对比。膜材料的分离性能主要取
和研究。其结构示意图如图 3 所示，是无机填料 决于膜性能、原料气组成、流速、工艺操作条件
以微粒或纳米粒子（离散相）的形式分散在聚合 和分离要求等关键因素，应按照特定的应用场景
物基体（连续相）中，由于无机填料均匀分散在 来选择合适的膜材料。表 6 列出了目前国内外几
聚合物的分子链之间，增加了自由体积，为气体 种比较先进的膜材料。由美国迈特尔膜技术有限
®
传输提供了通道，从而极大地提升了混合基质膜 公司（MTR）开发的高渗透性超薄 Polaris 膜已
的渗透分离性能。 在 1 MW 的燃煤电厂通过中试验证 [51] ，该技术可
每天从燃煤电厂的烟气中捕获 20 t 二氧化碳，连
续平稳运行 1500 h，具有薄膜结构紧凑、占地面
积小、操作简单等优势。由德国亥姆霍兹联合会
®
（HZG）开发的复合聚合物 PolyActive 膜通过一
2
个膜面积为 12.5 m 的中试模块对实际烟气中的
2
CO 2 进行了捕集测试 [52] 。该材料可实现 100 m 以

上的重复批量生产，在连续 740 h 内表现出良好
图 3 混合基质膜结构示意图 [48] 的分离性能和稳定性能，单级工艺可实现摩尔分
Fig. 3 Schematic diagram of mixed matrix membrane [48]
数为 68.2%的 CO 2 和 42.7%的回收率。2006 年启
CHEN 等 [49] 开发了一种含有 MOF-801/离子 动的大型欧盟项目 NanoGlOWA（包括 27 个来自
液体的 PIM（自具微孔聚合物）基混合基质膜， 欧洲的公司、大学、研究所和发电厂）旨在开发

该膜与纯 PIM-1 膜相比，CO 2 渗透性和 CO 2/N 2 用于从燃烧后发电厂的烟气中捕获二氧化碳的高
选择性分别提高了 129%和 45%（CO 2 渗透性为 性能膜 [53] 。2011 年，欧盟 NanoGlOWA 项目使用
9420 bar，CO 2/N 2 选择性为 29），表现出良好的气 了挪威科技大学（NTNU）开发的聚乙烯胺固定
体分离性能；此外，该膜材料经 90 d 的老化实验 位置载体膜（FSC），用于从电厂烟气中去除二
后，渗透率仍保持在 70%以上，且连续运行 120 h 氧化碳，该膜在 6 个月内表现出了稳定的捕集性
渗透率保持稳定，具有优异的抗老化、抗塑化性 能 [54] 。

表 5 膜分离技术对比
Table 5 Comparison of membrane separation technologies
膜种类 优势 缺点
聚合物膜 易制造，低生产成本，良好的机械稳定性，易实现规模 热稳定性和化学稳定性的下降，易塑化，孔径不可控，
扩大 渗透性和选择性相互制约
无机膜 更高的化学、热和机械稳定性，孔径可调，使用寿命长 成本高，加工性能差，难以扩大规模
混合基质膜 较高的机械和热稳定性，减少塑化，能耗较低，良好的 聚合物基质与填料之间的界面相容性差，填料成本较
分离性能 高，难以规模化生产