Matrimid 5218和5A沸石复合碳分子筛膜CMSM多孔结构实现高效O₂/N₂分离

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引言：

新加坡南洋理工大学Wen Li、Chong Yang Chuah与韩国科学技术院Tae-Hyun Bae团队联合在《Membrane Journal》（2020年第30卷第4期，DOI: 10.14579/MEMBRANE_JOURNAL.2020.30.4.260）发表研究成果，提出以低成本商用Matrimid® 5218聚酰亚胺与5A沸石为原料，制备多级孔结构复合碳分子筛膜（CMSMs），为工业氧氮分离提供高效且经济的膜分离方案。

摘要：

合成了含常规结构及多级结构 5A 沸石的混合基质碳分子筛膜，用于氧（O₂）/ 氮（N₂）分离。总体而言，将 5A 沸石填料掺入多孔碳基质中，可显著提高膜的渗透性，而选择性仅轻微下降，进而获得有应用价值的 O₂/N₂分离性能。兼具微孔与介孔结构域的多级 5A 沸石，能进一步提升分离性能 —— 这表明沸石中的介孔可作为气体快速扩散的额外通道，且基本不牺牲 O₂/N₂选择性。该简易策略以低成本实现了性能突破，成功将膜分离性能推向 Robeson 上限附近，所用原料为 Matrimid® 5218 聚酰亚胺与 5A 沸石，均为低成本商用材料。

混合气体渗透测试：

采用GTR Tec GTR-11气体透过率测试系统。首先将膜安装于渗透池内，测试温度设定为35℃。测试全程，上游持续通入氧氮二元混合气体（体积比21/79），下游持续通入氦气，两者流速均由质量流量控制器调控。定期将下游气体（渗透气体与氦气的混合物）注入气相色谱仪进行成分分析，重复该过程直至氧、氮浓度不再波动（达到稳定状态）。每种纯聚合物膜和混合基质膜均至少测试3个样品，以确保气体渗透结果的重现性。

（GTR Tec GTR-11气体透过率测试系统）

结论：

（表2. 由Pure MatrimidⓇ 5218和混合基质前驱体衍生的CMSMs在35°C和1 bar上游压力（O2/N2 = 21/79）下测得的混合气体渗透数据）

为提升氧（O₂）/氮（N₂）分离性能，本研究合成了含不同结构特性5A沸石的混合基质碳分子筛膜（CMSM）。总体而言，将5A沸石填料掺入碳分子筛膜中，可显著提高膜的渗透性，且选择性仅轻微损失。因此，本研究系统开展了多级孔结构的探究工作。值得关注的是，兼具微孔与介孔结构域的多级5A沸石，能进一步提升膜分离性能——这表明沸石中的介孔可作为气体快速扩散的额外通道。该策略简易高效、成本低廉，可有效提升气体渗透性，且以商用聚合物、沸石等易得、廉价的膜材料为原料，成功制备出高性能膜。

参考文献：

【1】Yang W, Chuah C Y, Bae T H, et al. Hierarchical 5A Zeolite-Containing Carbon Molecular Sieve Membranes for O₂/N₂ Separation[J]. Membrane Journal, 2020, 30(4): 260-268.

【2】Chuah C Y, Goh K, Bae T H. Hierarchically structured HKUST-1 nanocrystals for enhanced SF₆ capture and recovery[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121(12): 6748-6755.

【3】Li W, Samarasinghe S, Bae T H. Enhancing CO₂/CH₄ separation performance and mechanical strength of mixed-matrix membrane via combined use of graphene oxide and ZIF-8[J]. Journal of Industrial and Engineering Chemistry, 2018, 67: 156-163.