γ- 环糊精助力混合基质膜高效分离 CO2/CH4，为天然气净化带来新曙光

为解决天然气中 CO2分离难题，研究人员制备 γ-CD/Matrimid 混合基质膜，提升 CO2/CH4分离性能，意义重大。

　　在全球能源体系中，天然气的地位愈发重要。然而，天然气中常混有 CO₂和其他酸性气体，就像混入了 “杂质”，这些 “杂质” 不仅会降低运输管道的效率，增加维修成本，还加剧了温室效应。其中，CO₂作为主要的污染物，分离 CO₂/CH₄成为全球亟待解决的关键问题。传统的碳捕获方法各有优劣，而膜分离技术因低能耗、环保和占地面积小等优势受到广泛关注。

在这样的背景下，相关研究人员开展了一项重要研究，该研究成果发表在《Advanced Membranes》上。研究人员将有机填料 γ- 环糊精（γ-CD）融入 Matrimid 基质，通过溶液浇铸法制备混合基质膜（MMMs），以此来提升 CO₂/CH₄的分离性能。这一研究成果为天然气净化提供了新的解决方案，有望在工业领域大展身手。

研究人员为开展这项研究，用到了多种关键技术方法。在膜的制备上，采用溶液浇铸法，先将 Matrimid 和 γ-CD 粉末干燥，再将 Matrimid 溶解于二甲基甲酰胺（DMF），超声处理后加入 γ-CD 形成均匀溶液，去除气泡、过滤后在特定条件下干燥成膜。在表征分析方面，运用衰减全反射傅里叶变换红外光谱（ATR-FTIR）、扫描电子显微镜（SEM）、X 射线衍射（XRD）和热重分析（TGA）等技术对膜的结构和性能进行全面分析。通过气体渗透测试，测定不同气体的渗透率和选择性，为评估膜的分离性能提供数据支持 。

下面来看看具体的研究结果：

• Matrimid-x%-CD 膜的表征：XRD 分析显示，γ-CD 与 Matrimid 形成了均匀的分子混合物，随着 γ-CD 负载量增加，膜的 d 间距减小，表明 γ-CD 与聚合物链紧密结合，影响了膜的结构。TGA 结果表明，添加 γ-CD 增强了 Matrimid 基质的热稳定性，但过量的 γ-CD 会干扰聚合物链，降低热稳定性。ATR 光谱证实了 γ-CD 成功融入 Matrimid 基质，且随着 γ-CD 负载量增加，膜中引入了更多羟基。SEM 图像显示，γ-CD 在膜中分散良好，膜表面光滑、结构致密，但随着 γ-CD 负载量增加，孔径变大。
• 气体分离性能：所有 MMMs 的气体渗透率均高于原始 Matrimid 膜，且气体渗透率随 γ-CD 负载量增加而增加。随着 γ-CD 负载量从 0 增加到 3 wt%，Matrimid-x%-CD 膜的 CO₂渗透率从 13.35 Barrer 增加到 18.71 Barrer，CO₂/CH₄选择性从 36.08 提高到 71.96。然而，当负载量增加到 5 wt% 时，CO₂/CH₄选择性下降。综合来看，Matrimid-3%-CD 膜的性能最佳，其 CO₂渗透率和 CO₂/CH₄选择性相比原始 Matrimid 膜分别提高了 40% 和 99%，超越了 1991 年 Robeson 上限。
• 压力和温度对气体渗透性能的影响：随着压力增加，原始 Matrimid 膜和 Matrimid-3%-CD 膜的 CO₂渗透率均先下降后上升，在 6 bar 时出现塑化点。γ-CD 的加入限制了 Matrimid 基质的链流动性，增强了膜在 6 bar 时的稳定性。随着温度升高，Matrimid-3%-CD 膜的 CO₂渗透率上升，但 CH₄渗透率上升幅度更大，导致 CO₂/CH₄选择性显著下降。
• 混合气体性能：在 CO₂-CH₄（50:50 vol%）的混合气体渗透测试中，原始 Matrimid 膜和 Matrimid-3%-CD 膜的气体性能均低于单气体渗透测试，这是由于 CO₂和 CH₄在膜内的竞争吸附效应。
• Matrimid 和 Matrimid-x%-CD 膜的物理老化：经过 593 天的老化测试，原始 Matrimid 膜的 CO₂渗透率下降了 25%，而 Matrimid-3%-CD 膜下降更为平缓，仅为 20%。同时，Matrimid-3%-CD 膜的 CO₂/CH₄选择性大幅提高，超过了 2008 年 Robeson 上限，表明 γ-CD 显著增强了膜的抗老化性能。

综上所述，研究人员成功制备了基于 γ-CD 的 MMMs 用于 CO₂/CH₄分离。该 MMMs 相比原始 Matrimid 膜，气体渗透性能显著提升。γ-CD 在膜内分散良好，与聚合物具有良好的相容性。其中，Matrimid-3%-CD 膜表现最为突出，不仅超越了 Robeson 上限，还具有出色的抗塑化和抗老化性能。这一研究成果为天然气净化领域提供了新的思路和方法，有望推动天然气净化技术的进一步发展，具有重要的工业应用潜力 。