文獻分享 | Matrimid 5218和5A沸石復合碳分子篩膜CMSM多孔結構實現高效O?/N?分離

引言：

新加坡南洋理工大學Wen Li、Chong Yang Chuah與韓國科學技術院Tae-Hyun Bae團隊聯合在《Membrane Journal》（2020年第30卷第4期，DOI: 10.14579/MEMBRANE_JOURNAL.2020.30.4.260）發表研究成果，提出以低成本商用Matrimid® 5218聚酰亞胺與5A沸石為原料，制備多級孔結構復合碳分子篩膜（CMSMs），為工業氧氮分離提供高效且經濟的膜分離方案。

摘要：

合成了含常規結構及多級結構 5A 沸石的混合基質碳分子篩膜，用于氧（O?）/ 氮（N?）分離。總體而言，將 5A 沸石填料摻入多孔碳基質中，可顯著提高膜的滲透性，而選擇性僅輕微下降，進而獲得有應用價值的 O?/N?分離性能。兼具微孔與介孔結構域的多級 5A 沸石，能進一步提升分離性能 —— 這表明沸石中的介孔可作為氣體快速擴散的額外通道，且基本不犧牲 O?/N?選擇性。該簡易策略以低成本實現了性能突破，成功將膜分離性能推向 Robeson 上限附近，所用原料為 Matrimid® 5218 聚酰亞胺與 5A 沸石，均為低成本商用材料。

混合氣體滲透測試：

采用GTR Tec GTR-11氣體透過率測試系統。首先將膜安裝于滲透池內，測試溫度設定為35℃。測試全程，上游持續通入氧氮二元混合氣體（體積比21/79），下游持續通入氦氣，兩者流速均由質量流量控制器調控。定期將下游氣體（滲透氣體與氦氣的混合物）注入氣相色譜儀進行成分分析，重復該過程直至氧、氮濃度不再波動（達到穩定狀態）。每種純聚合物膜和混合基質膜均至少測試3個樣品，以確保氣體滲透結果的重現性。

（GTR Tec GTR-11氣體透過率測試系統）

結論：

（表2. 由Pure Matrimid? 5218和混合基質前驅體衍生的CMSMs在35°C和1 bar上游壓力（O2/N2 = 21/79）下測得的混合氣體滲透數據）

為提升氧（O?）/氮（N?）分離性能，本研究合成了含不同結構特性5A沸石的混合基質碳分子篩膜（CMSM）。總體而言，將5A沸石填料摻入碳分子篩膜中，可顯著提高膜的滲透性，且選擇性僅輕微損失。因此，本研究系統開展了多級孔結構的探究工作。值得關注的是，兼具微孔與介孔結構域的多級5A沸石，能進一步提升膜分離性能——這表明沸石中的介孔可作為氣體快速擴散的額外通道。該策略簡易高效、成本低廉，可有效提升氣體滲透性，且以商用聚合物、沸石等易得、廉價的膜材料為原料，成功制備出高性能膜。

參考文獻：

【1】Yang W, Chuah C Y, Bae T H, et al. Hierarchical 5A Zeolite-Containing Carbon Molecular Sieve Membranes for O?/N? 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 SF? capture and recovery[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2017, 121(12): 6748-6755.

【3】Li W, Samarasinghe S, Bae T H. Enhancing CO?/CH? 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.