可回收生物基聚乳酸气液膜接触器在碳捕集工艺中的应用与性能优化

研究人员针对传统碳捕集膜材料依赖化石基聚合物和有毒溶剂的问题，开发了基于可再生生物聚合物聚乳酸（PLA）的气液膜接触器。通过系统研究聚合物浓度、分子量、结晶度和溶剂类型对膜形态和CO2捕集性能的影响，发现高分子量PLA与DMF溶剂制备的膜具有2.36×10-5 m3/m2·s的稳定捕集性能，与商用PVDF膜相当，且可循环使用5次。该研究为开发可持续、可循环的碳捕集技术提供了新思路。

　　

随着全球气候目标的日益严格和非可再生资源的逐渐枯竭，开发可持续的碳中和技术变得尤为重要。碳捕集与利用（CCU）作为闭合碳循环的关键方法，其中基于膜的CO₂吸收技术因其能耗低而备受关注。然而，传统膜材料如聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯（PP）和聚四氟乙烯（PTFE）不仅依赖化石基聚合物，其生产过程还涉及有毒溶剂和高能耗工艺。更严重的是，含氟聚合物如PVDF和PTFE因释放全氟和多氟烷基物质（PFAS）且难以降解，未来可能面临禁用。因此，开发环境友好、可持续的替代膜材料迫在眉睫。

比利时鲁汶大学的研究团队在《Carbon Capture Science》发表了一项创新研究，探索了生物基聚合物聚乳酸（PLA）作为可持续膜材料在碳捕集中的应用潜力。研究人员采用非溶剂致相分离（NIPS）技术制备PLA膜，系统考察了聚合物浓度、分子量、结晶度和溶剂类型对膜结构和性能的影响，并通过气体吸收实验评估了其CO₂捕集效率。研究还验证了PLA膜的回收利用潜力，为开发环境友好的碳捕集技术提供了新思路。

研究采用了多种关键技术方法：通过NIPS技术制备不同参数的PLA膜；使用扫描电镜（SEM）和X射线衍射（XRD）表征膜形态和晶体结构；差示扫描量热法（DSC）测定结晶度；接触角测量评估疏水性；以及定制的气液膜接触器系统测试CO₂吸收性能。研究使用了来自3D打印废料的PLA（W-PLA）和商业PLA（NW-PLA）两种原料，溶剂选择了N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）和N,N-二甲基甲酰胺（DMF）。

3.1 聚合物浓度对形态的影响
研究发现增加PLA浓度（15%-25%）会导致膜形态从指状孔结构向海绵状结构转变。高浓度（25%）PLA溶液因粘度增加和快速形成致密皮层，阻碍了溶剂与非溶剂的传质，形成更小的孔结构和更高结晶度（从8.6%增至28.7%）。机械性能测试显示15%PLA膜强度不足，无法承受气液流动压力。

3.2 溶剂对形态的影响
尽管DMF与水的亲和性高于NMP，但PLA在NMP中溶解度更好（Hansen溶解度参数距离R_a：NMP=2.97，DMF=5.80），导致NMP制备的膜具有更明显的指状孔结构。DMF制备的膜则表现出更多海绵状结构，孔径更小（减小33%），孔隙率更低，但水解稳定性更好（34.4%）。

3.3 PLA类型对形态的影响
高分子量PLA（NW-PLA，M_n=3.6×10⁴ g/mol）比低分子量PLA（W-PLA）形成更宽的指状孔结构。有趣的是，含杂质的W-PLA在成膜过程中结晶度显著增加（从8.6%到28.7%），而初始高结晶度的NW-PLA（32.5%）成膜后结晶度降至0.18%，表明杂质可作为成核位点促进结晶。

3.4 PLA膜的水解稳定性
在0.5M Na₂CO₃溶液中，高浓度（25%）PLA膜因结晶度高、孔隙率低而表现出更好的质量保留率（7天后保留率提高10.2%）。NW-PLA膜尽管初始结晶度低，但因分子量高而显示出更优的长期稳定性，这归因于无定形区随机分布的羧基和羟基降低了局部亲水性。

3.5 CO₂吸收性能
20%NW-PLA-DMF膜表现出最佳性能，K_ov达2.36×10^-5 m³/m²·s，与商用PVDF膜（2.47×10^-5 m³/m²·s）相当。指状孔结构有利于气体传质，但也更易发生润湿。接触角测试显示PLA膜亲水性（θ=73°）明显低于PVDF（θ=131°），这是性能差异的主要原因。

3.6 PLA膜的疏水改性
采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）涂层可将接触角提升至120°，但2.5μm厚的涂层增加了传质阻力，使K_ov降低一个数量级。这表明需要开发不增加厚度的表面改性方法。

3.7 PLA膜的回收利用
将使用后的PLA膜与原始PLA按9:1混合，可成功制备再生膜。经过5次循环，再生膜的K_ov保持在2.04-2.26×10^-5 m³/m²·s，但FTIR显示酯键减少，DSC表明结晶温度降低，说明聚合物链发生了降解。

该研究证实PLA作为生物基膜材料在碳捕集中具有应用潜力，其性能可通过调控制备参数进行优化。虽然PLA膜的化学稳定性不及传统材料，但其可生物降解、可循环使用的特性使其成为符合循环经济理念的环保选择。特别是20%NW-PLA-DMF膜展现出与商用PVDF膜相当的CO₂捕集性能，且经过5次循环后性能保持良好。研究还指出，未来需要通过立体复合、交联或纳米粒子添加等策略进一步提高PLA膜的稳定性。这项工作为开发可持续的碳捕集技术开辟了新途径，在实现碳中和目标的同时减少了对化石资源的依赖和环境污染。