另辟蹊径，研究人员找到制备超薄皮层中空纤维炭膜新策略 -山东化工网

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另辟蹊径，研究人员找到制备超薄皮层中空纤维炭膜新策略

文章来源：新能源网更新时间：2024-03-12 16:22:27

近日，中国科学院大连化学物理研究所节能与环境研究部膜材料工程研究组研究员任吉中团队，在中空纤维炭分子筛膜（中空纤维炭膜）方面取得进展。

中空纤维炭膜超薄皮层调控新策略

炭膜由聚合物前驱体在惰性环境中经过高温热解而成，具有优异的耐热和耐化学腐蚀的性能以及丰富的超微孔结构，在气体分离方面颇具应用潜力。中空纤维膜前躯体在高温炭化过程中，其多孔支撑层易塌陷，导致分离层厚度较大，增加了气体分子的传质阻力。因此，如何降低分离层厚度是发展高性能中空纤维炭膜的关键。

该团队在既往成果的基础上，提出了新颖有效的制备超薄皮层中空纤维炭膜的方法。该方法利用高气体通量的多孔中空纤维膜作为前驱体调控炭膜结构，可将皮层厚度减小到1微米以下，进而降低气体分子传质阻力，提升H2/CH4和H2/N2分离性能。

相关研究成果以Carbon Molecular Sieve Membranes with Ultra-Thin Selective Skin Layer by Pyrolysis of Porous Hollow Fibers为题，发表在Small上，并被选入Hot Topic。研究工作得到国家重点研发计划等的支持。

中空纤维膜比较突出的特点是什么

中空纤维膜比较突出的特点主要有以下几点：

1.高效：中空纤维膜具有高通量和高截留率的特点，能够高效地过滤水中的溶解物、悬浮物和微生物等。

2.耐用：中空纤维膜采用高强度材料制成，具有较好的耐磨损性和耐腐蚀性，使用寿命长。

3.可清洗：中空纤维膜可进行反冲洗和化学清洗等操作，能够有效地清除膜面附着物，保障膜的过滤性能。

4.稳定性好：中空纤维膜在水中运行时，不容易发生变形、堵塞等问题，具有较高的稳定性。

5.适应性强：中空纤维膜可根据不同的水质条件和处理要求进行调整和改变，具有较强的适应性。

6.节能环保：相对于传统的水处理方法，中空纤维膜技术具有节能、环保等优势，在水处理领域得到广泛应用。

探寻中空纤维膜之道

中空纤维膜是功能纤维材料与分离膜技术交叉形成的新型膜产品，是分离膜领域中发展最快、规模最大、产值最高的一类新型膜技术产品。与卷式膜等其他类型分离膜相比，中空纤维膜具备耐压性能好、无需支撑体、在膜组件内装填密度大、单位体积膜面积大、通量大等优势。就目前而言，我国虽然在反渗透、超滤和微滤等膜材料、组件及装置方面已经建立了较为完备的研发与产业体系，具有较强的国际影响力和竞争力，但膜科学基础及应用研究与国际顶尖水平仍有差距，高精度、高性能、特种分离膜产品与国际一流产品相比仍有较大差距，庞大的高端膜市场仍被国外企业垄断。面对发达国家对高端技术的封锁局面，推动我国中空纤维膜技术和产业创新发展的需求日趋紧迫。

当前制备中空纤维膜的材料主要包括高分子和无机材料，高分子膜占据主要气体膜分离市场，但是存在罗伯逊（Robeson）上限问题。采用无机炭材料制作气体分离膜，具有“外柔内刚”的特性，密度比传统氧化铝膜轻，并兼有耐腐蚀、耐疲劳、高性能等优势。按照未来发展趋势，用户对膜使用条件的要求必然越来越高，如耐高温、耐有机溶剂、耐酸、耐碱等，其中有些要求是高分子膜材料无法满足的。相对的，炭中空纤维膜材料和结构特点决定了它能够满足这些苛刻条件。

然而，制备炭中空纤维膜并不是一件容易的事情，仅仅是完成中空纤维原丝的预炭化这一步骤就困难重重：预炭化过程中易发生纤维粘连和纠缠，这不仅损伤纤维表面，而且会阻碍预炭化过程中反应热的释放，造成过热和纤维断裂。预炭化过程中，对氧气浓度、加热速率、炭化温度和炭化时间的要求极其严苛，炭化温度越高，气体筛分性能越好，但是会降低其机械性能，炭化温度直接影响炭中空纤维膜的力学性能和气体分离性能。

国外长期从事中空纤维膜开发的企业众多，而且早在20世纪70年代就开始了研究，在成果转化方面具有先天优势。而我国中空纤维膜的研发依然以高等院校、科研院所为主，大体仍处于基础研究阶段；基础研发与产业需求往往脱节，成果转移和转化存在障碍。在我国亟须实现“双碳”目标的重大背景下，面对社会日益增长的节能减排要求，如何制备性能满足实际分离应用需求的中空纤维膜，从而大幅降低分离过程的能耗及碳排放，仍是当前膜领域面临的重大难题……这样的局面人备感忧虑，然而，国外的中空纤维膜制备技术已经遥遥领先，其经验只能借鉴，不能照搬，一切还要立足于我国实际情况，以发展的眼光看待问题，争取弯道超车，早日成为世界膜强国。当前，如何最大限度地发挥中空纤维膜的性能、如何制造配套膜组件、采用何种组装方式才使其具备产业化优势……这些问题的答案，我国研究人员们仍在探索。

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