聚二甲基硅氧烷纳米薄膜增强型膜接触器在CO2捕集中的创新应用

《Separation and Purification Technology》：Polydimethylsiloxane nanofilm-enhanced membrane contactors for CO? capture

本文报道了一种通过简易涂覆法在聚醚砜（PES）中空纤维膜表面构建疏水性聚二甲基硅氧烷（PDMS）纳米薄膜的新策略，有效解决了传统多孔膜因溶剂润湿导致的CO2通量衰减问题。研究显示，5% PDMS溶液修饰的膜接触器可使CO2传质系数提升10倍以上（达0.028 cm·s?1），性能优于商用硅胶膜模块。该工作系统考察了气体组成、流速及跨膜压力等参数对碳捕集效能的影响，为下一代高效膜接触器设计提供了重要参考。

　　

Section snippets

Materials

氢氧化钾（KOH）购自Sigma-Aldrich公司（圣路易斯，MO）。Dehesive 944 PDMS、催化剂OL和交联剂V24来自Wacker Chemical公司（慕尼黑，德国）。孔径为200 nm的干燥聚醚砜（PES）中空纤维膜模块（图S1a）由Repligen公司（阿纳海姆，CA）提供。每个模块含9根纤维，内径（ID）约0.5 mm，有效长度20 cm，基于内径计算的表面积为28 cm²。平板式PES膜孔径数据详见补充材料。

Membrane characterization

通过扫描电镜（SEM）对原始及PDMS涂覆的中空纤维膜进行形貌分析。图2a显示纤维外径约650 μm，内径约450 μm。图2b表明PES基底平均孔径为200 nm，孔隙率24%，与供应商提供数据一致。低浓度PDMS涂覆即可覆盖表面小孔，而5%涂覆液仅能部分覆盖直径超过200 nm的孔隙——这种微孔覆盖效应显著增强了膜的疏水性，宛如为膜表面披上一件“隐形雨衣”，有效阻隔溶剂入侵。

Conclusions

我们开发了基于PDMS纳米薄膜复合（NFC）膜的高性能膜接触器，用于燃烧后碳捕集，并深入探究了PDMS纳米膜及操作参数对碳捕集性能的调控机制。增加PDMS溶液浓度可提升CO₂渗透性、通量及传质系数，因为PDMS纳米膜能精准阻断多孔支撑层的润湿路径。有趣的是，CO₂通量还会随原料气中CO₂含量与流速的上升而增加，这为动态工况下的膜组件优化提供了灵活调控空间。