Angew. Chem. ：中空纤维SSZ-13分子筛膜的可控合成及高压CO2/CH4分离

WileyChem8月15日讯：“双碳”战略背景下，我国对天然气的需求与日俱增。天然气源气中的CO2不仅会降低天然气的热值，还会在水气存在下腐蚀运输管道。我国要求管道天然气CO2的浓度低于3%，因此天然气在进入高压管网前必须进行脱碳处理。膜分离技术作为本世纪最具前景的分离技术之一，具有占地面积小、投资少、能耗低和污染小等优点。高硅CHA（SSZ-13）分子筛膜，具有规整的微孔道结构和优异的热化学稳定性，是理想的气体分离膜材料。其孔径为0.38 nm × 0.38 nm，介于CO2（0.33 nm）与CH4（0.38 nm）分子动力学直径之间，特别适合用于天然气脱碳。然而，常规方法制备SSZ-13分子筛膜存在缺陷，高压CO2/CH4分离效果较差，如何提高高压分离性能仍极具挑战；此外，苛刻的合成条件也极大地限制了规模化制备。

近日，南京工业大学顾学红教授、王学瑞教授和荷兰代尔夫特理工大学Freek Kapteijn教授合作，以FAU分子筛为唯一的硅源和铝源，利用同源转晶法制备SSZ-13分子筛，并诱导合成高性能中空纤维SSZ-13分子筛膜。

图1 SSZ-13分子筛膜层生长及气体分离性能随时间变化示意图

相较于传统微米级和球磨纳米级的SSZ-13分子筛，作者利用同源转晶法获得的纳米级SSZ-13分子筛在结晶过程中具有更短的诱导期和更长的晶化期，并且晶体结构缺陷更少。

随后，作者通过将水热合成时间控制在24 ~ 96小时，制备的分子筛膜厚度均稳定在3 μm左右，在不降低膜渗透通量的情况下，显著提升了气体分离选择性。因此，转晶法制备的纳米分子筛在膜生长的自愈合（Self-healing）阶段起到了关键作用，形成致密无缺陷的膜层。

最后，作者将该制备方法进一步应用于40 cm长中空纤维SSZ-13分子筛膜的批量制备，单次合成9支膜的平均CO2渗透性为(5.9 ± 1.1) × 10−7 mol·m−2·s−1·Pa−1，平均CO2/CH4选择性为181 ± 36。在进料压力为5 MPa、温度为303 K时，CO2渗透通量与CO2/CH4分离选择性分别为0.2 mol·m-2·s-1和50。

该工作为解决高性能SSZ-13分子筛膜的批量化制备提供了一种新策略，同时也为该材料在实际工业领域应用奠定基础。（本刊有删节）

Angewandte Chemie International Edition

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