综述：用于从超临界二氧化碳中回收溶质的致密膜：综述

《The Journal of Supercritical Fluids》：Dense Membranes for the Recovery of Solutes from Supercritical CO 2: A Review

超临界CO2与致密聚合物膜耦合分离技术的研究进展，系统分析了三种操作场景及膜材料性能，指出长期稳定性与规模化应用是主要挑战，提出能源优化与环境可持续方向。

　　这篇综述文章深入探讨了在超临界二氧化碳（SC-CO?）工艺中使用致密聚合物膜的应用前景。随着对环保和可持续技术的日益关注，SC-CO?因其独特的物理化学性质，如高溶解度、高扩散性和无毒无害的特性，已被广泛应用于食品、制药、化妆品和营养补充剂等行业。然而，SC-CO?工艺的一个主要挑战在于溶剂的回收过程，这通常需要耗费大量能量进行高压压缩，从而影响其经济性和环境效益。因此，将膜分离技术与SC-CO?工艺相结合，成为提升该技术可行性的关键策略。

膜分离技术通过利用膜材料的物理和化学特性，能够在较低的能耗下实现溶质与SC-CO?的高效分离。与传统的溶剂回收方法相比，膜分离不仅可以减少能源消耗，还避免了化学溶剂的使用，从而降低了对环境的影响。文章指出，膜分离在SC-CO?系统中的应用具有多重优势，包括低成本、易加工、化学兼容性广以及操作灵活性高等。此外，研究表明，通过膜分离技术可以显著降低SC-CO?提取过程的环境负担，例如Hernandez等人在比较不同提取方法的生命周期评估（LCA）中发现，结合膜再生的SC-CO?提取方法可将环境负担降低至传统溶剂提取的95%以下，甚至比单纯的SC-CO?减压回收方法更低。

然而，尽管膜分离技术在SC-CO?工艺中展现出巨大潜力，其实际应用仍面临诸多挑战。首先，SC-CO?条件下膜材料的长期性能数据仍较为有限，特别是在高温高压环境下，膜的稳定性、机械强度和化学耐受性成为研究重点。其次，目前关于膜性能的报道缺乏统一的标准，导致不同研究之间的数据对比变得困难。此外，膜材料在SC-CO?环境下的行为仍需进一步研究，包括其在不同操作条件下的塑化、膨胀和老化现象，这些因素可能影响膜的分离效率和使用寿命。

综述文章将膜分离在SC-CO?工艺中的应用分为三种主要的操作场景，分别为“场景A”、“场景B”和“场景C”。每种场景都基于不同的溶质-CO?-膜相互作用机制，为评估膜材料、工艺配置和性能指标（如渗透率、选择性和能效）提供了指导框架。例如，在“场景A”中，膜材料与CO?之间的相互作用较强，溶质的扩散和溶解行为受到显著影响，这使得该场景适用于对分离效率要求较高的应用。而在“场景B”中，膜材料的特性可能更倾向于对特定溶质的选择性吸附，这种机制在处理复杂混合物时具有优势。至于“场景C”，则可能涉及膜材料在高压力下的结构变化，从而影响其分离性能。

文章还详细讨论了不同类型的聚合物膜，包括橡胶态和玻璃态聚合物。橡胶态聚合物在SC-CO?条件下通常表现出较高的渗透率，但其选择性可能不如玻璃态聚合物。相反，玻璃态聚合物虽然具有较低的渗透率，但其在高温高压下的结构稳定性更强，适用于需要长期运行的工业应用。然而，这两种材料在SC-CO?环境下的行为都受到塑化和膨胀的影响，这可能降低其分离性能并缩短使用寿命。因此，研究人员正在探索新的材料设计策略，以提高膜的抗塑化能力，增强其在SC-CO?环境下的稳定性。

在膜分离工艺的配置方面，文章提到了两种主要的操作模式：跨流模式和死端模式。跨流模式通过使进料溶液平行流过膜表面，有效减少了膜表面的溶质沉积，从而降低了浓度极化和膜污染的风险。这种模式适用于处理含有大量颗粒或大分子的混合物。而死端模式则使进料溶液垂直穿过膜，虽然在某些情况下可能提高分离效率，但容易导致膜表面堵塞，影响其长期运行性能。因此，在选择膜分离工艺时，需要根据具体的溶质性质和操作条件进行优化。

CO?在聚合物膜中的渗透行为是膜分离技术研究的核心内容之一。根据溶液扩散模型，CO?的渗透过程包括吸附、扩散和解吸三个阶段。然而，在SC-CO?条件下，这一过程可能受到膜材料特性、操作压力和温度等因素的影响。例如，某些聚合物膜在高压下可能表现出不同的扩散系数，从而改变其渗透性能。此外，CO?与膜材料之间的相互作用也会影响其吸附能力，进而影响整体的分离效率。因此，理解CO?在膜中的传输机制对于优化膜分离工艺至关重要。

文章还提到，膜分离技术的经济可行性取决于多个因素，包括设备成本、能耗和操作维护费用。尽管SC-CO?与膜分离的结合能够显著降低能耗，但其初始投资成本仍然较高。此外，膜材料的耐久性和可重复使用性也是影响其经济性的关键因素。因此，研究者们正在探索更经济的膜材料和工艺优化方案，以降低整体成本并提高技术的可扩展性。

在实际应用中，膜分离技术与SC-CO?工艺的结合需要克服一系列技术难题。例如，在高压力条件下，膜材料可能因塑化或膨胀而发生结构变化，从而影响其分离性能。此外，膜的长期运行稳定性仍然是一个挑战，特别是在频繁的高压循环操作中，膜可能会出现老化或性能下降的现象。为了解决这些问题，研究人员正在开发新型的高分子材料，这些材料具有更强的机械强度、化学稳定性和抗塑化能力，以适应SC-CO?环境下的复杂操作条件。

综述文章还指出，当前的研究主要集中在实验室规模的实验和小规模工业应用上，缺乏大规模工业化应用的数据支持。因此，未来的研发方向应更加注重实际应用条件下的膜性能测试，包括在高压力、高温和长时间运行下的表现。此外，建立统一的性能评估标准和数据共享机制，将有助于推动该技术的标准化发展，并加速其在不同行业的应用。

最后，文章总结了膜分离技术在SC-CO?工艺中的重要性，并强调了其在未来可持续分离技术中的潜力。通过深入研究膜材料的特性、优化工艺配置以及提高技术的可扩展性，膜分离有望成为一种高效、环保且经济的解决方案，广泛应用于各种工业领域。然而，要实现这一目标，还需要在材料科学、过程工程和环境评估等方面进行更多的研究和创新。