创新的淀粉-PVA膜结合了氨基功能化的沸石咪唑框架，用于二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的分离

《Separation and Purification Technology》：Innovative starch-PVA membranes incorporating amino-functionalized Zeolitic Imidazolate frameworks for CO 2/CH 4 separation

CO2/CH4分离膜研究：通过将氨基功能化ZIF-8-NH2纳米颗粒（5-15 wt%）整合至淀粉-PVA基膜中，优化了混合基质膜（MMM）和薄层纳米复合膜（TFN）的气体分离性能。最佳 MMM在33/67淀粉-PVA比例下，10 wt% ZIF-8-NH2实现188 Barrer CO2渗透率和16.5选择性；TFN膜在9/91比例和15 wt% ZIF-8-NH2时达到208 GPU渗透率和26.9选择性。该材料兼具高分离效率、机械稳定性和环保特性，为天然气纯化与碳捕获提供可持续解决方案。

　　近年来，随着全球对环境保护和能源利用效率的重视，高效分离二氧化碳（CO?）在天然气净化和碳捕集领域显得尤为重要。传统方法往往需要高能耗和复杂设备，而膜分离技术因其低能耗和操作简便而受到关注。然而，目前的高分子膜材料在实现所需的高渗透性和选择性方面仍存在局限。为此，研究者们开始探索将高性能纳米材料引入聚合物基质中，以提升膜的分离性能。本研究通过将金属有机框架材料（MOF）ZIF-8-NH?与天然高分子材料淀粉和聚乙烯醇（PVA）结合，制备出环保型混合基质膜（MMMs）和薄层复合膜（TFNs），以实现CO?/CH?的高效分离。

淀粉作为一种广泛存在于植物中的可再生资源，具有良好的生物降解性和热塑性，同时具备优异的亲水性。然而，这种特性也带来了挑战，例如膜在高湿度条件下的机械稳定性较差。为了克服这些缺点，研究者引入了PVA作为复合材料，其良好的化学稳定性和机械强度能够增强膜的整体性能。此外，采用柠檬酸作为交联剂，不仅提高了膜的机械强度，还降低了膜对水分的敏感性。研究显示，当淀粉与PVA按33/67的比例混合，并加入10%的ZIF-8-NH?纳米颗粒时，膜的CO?渗透性从124 Barrer显著提升至188 Barrer，同时保持了较高的CO?/CH?选择性（从14.1提升至16.5）。这一结果表明，ZIF-8-NH?的引入显著增强了膜的气体分离能力，同时保留了其环保特性。

在TFN膜的设计中，研究者采用了不同的策略。通过将ZIF-8-NH?纳米颗粒（15%负载量）引入9/91的淀粉-聚乙烯醇混合体系中，制备出的TFN膜表现出更优异的性能，CO?渗透性达到208 GPU，选择性高达26.9，这几乎是传统淀粉-聚乙烯醇混合膜的两倍。这种显著提升主要归因于ZIF-8-NH?的微孔结构和其对CO?的高亲和力。纳米颗粒的引入不仅促进了CO?分子的扩散，还通过氢键作用增强了膜的结构稳定性，从而提高了其在实际应用中的可行性。

研究还通过多种表征手段验证了膜的性能。例如，通过扫描电子显微镜（SEM）观察膜的微观结构，发现ZIF-8-NH?纳米颗粒在膜基质中均匀分布，形成了独特的微结构，这有助于提高膜的选择性。同时，热重分析（TGA）和X射线衍射（XRD）进一步确认了ZIF-8-NH?在膜中的稳定性及其对膜性能的影响。FTIR光谱分析则揭示了膜中淀粉、PVA和ZIF-8-NH?之间的相互作用，特别是氢键和分子筛效应，这些相互作用对于膜的气体分离性能至关重要。

此外，研究还对比了不同膜体系的性能，包括传统的聚砜（PSF）膜、天然聚合物膜（如纤维素醋酸酯和壳聚糖膜）以及基于MOF的混合基质膜（MMMs）。结果显示，基于淀粉-聚乙烯醇的膜在CO?/CH?分离中表现出色，特别是在高选择性方面。例如，TFN膜在3 bar压力下表现出更高的CO?渗透性和选择性，这使其在工业应用中更具竞争力。与传统的PSF膜相比，这种膜不仅在性能上有所提升，还具有更好的可持续性，因为其原料来源于可再生资源，并且在制备过程中避免了使用有毒的交联剂或有害的有机溶剂。

研究还讨论了膜在实际应用中的潜在挑战。例如，膜的亲水性可能导致在高湿度条件下出现塑化现象，从而影响其分离性能。尽管通过引入PVA和柠檬酸交联剂能够缓解这一问题，但进一步研究仍需关注膜在湿气条件下的长期稳定性。此外，膜的机械性能和气体渗透性之间的平衡也是优化膜性能的关键因素。因此，未来的研究方向包括开发更高效的填料分散方法、探索新的功能化MOF材料、以及在膜的各个层中使用完全可再生的材料，以提高其在复杂气体混合物中的分离能力。

本研究不仅展示了淀粉和PVA作为环保材料在膜分离中的应用潜力，还通过引入ZIF-8-NH?纳米颗粒，实现了膜性能的显著提升。这些结果为天然气净化和碳捕集提供了新的思路，同时推动了可持续膜技术的发展。通过优化膜的组成和结构，研究团队成功地制备出高性能的混合基质膜和薄层复合膜，这些膜在实验室条件下表现出优异的分离性能，并有望在工业应用中实现规模化生产。