气体分离原理及方法（迄今最优气体混一起）

两种气体混在一起，怎么高效精准地分离出？

以氧化石墨烯(GO)为主的石墨烯基材料表现出良好的分离和纯化特性。通过利用气体与石墨烯氧化物通道的相互作用来调整石墨烯氧化物层间距，从而使得孔隙率可以与气体分子的运动直径相匹配，那么使用基于石墨烯氧化物的膜进行精确的分子筛选变得可行。

近日，新南威尔士大学的报道了一种在轻度还原氧化石墨烯(rGO)基膜中利用独特的定制孔隙度高效分离气体混合物的方法。气体渗透实验、吸附测量和密度泛函理论计算表明，这种膜制备方法可以通过插入特定的过渡金属离子来调整目标分子的选择性。相关论文以题为“EfFective Separation of CO2 Using Metal‐Incorporated rGO Membranes”发表在Advanced Materials上。

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.201907580

由于低能耗和紧凑的安装，基于膜的技术对气体分离特别有吸引力。渗透性和选择性是评价气体分离膜性能的两个主要标准。膜中分子运输的性质取决于膜材料的孔隙率和类型，可以通过基于溶液扩散、尺寸依赖的分子筛分、克努森扩散和泊肃叶流动的机制来理解。传统的多孔材料或分子筛对于运动直径小于孔径的气体分子是可渗透的，而较大的气体分子被排除在膜通道之外。石墨烯氧化膜是一种优异的阻隔膜，具有高渗透性和高选择性。使用具有选择性固有缺陷的石墨烯氧基膜分离H2/CO2的选择性超过3400。

但氧化石墨烯基膜在分离具有相似动力学直径的气体分子仍然是一项重要而具有挑战性的任务。例如，将CO2从N2中分离出来，其具有重要的工业价值，特别是对于缓解目前使用现有的膜技术所面临的温室气体排放的挑战，但目前的方法却很少能够实现。幸运的是，过渡金属基材料具有选择性N2吸附的潜力。考虑到过渡金属离子在亚纳米级上的易于实现性和孔隙尺寸的有效性，将过渡金属离子掺入石墨烯氧化膜是改善氮选择性分离的有效方法。

考虑到过渡金属对N2的吸附价值，研究者研究了含Fe和Cr的还原氧化石墨烯(rGO)膜的气体分离膜。研究了rGO基膜在30~75℃温度下的稳定性。此外，利用N2和CO2等温线研究了这些rGO基膜的吸附行为。利用Maxwell-Stefan模型和Knudsen模型全面分析了N2在含Fe(III)的rGO膜(Fe-rGOM)中的扩散过程。尤其是，rGO膜中插入Fe(III)时，提供了有序的孔隙率，在110 mbar时表现出良好的可再生的N2/CO2选择性，高达97，这是迄今为止得到的最好选择性的基于石墨烯的膜。通过研究Fe插层rGO膜的影响，Maxwell Stefan和Knudsen扩散都对扩散过程有贡献，随着跨膜压力的增大，N2扩散模式由Maxwell Stefan型向Knudsen型转变。此外，实验和DFT计算发现，Fe-rGOM选择性的提高是由于其对N2的吸收增加，N2在Fe-rGOM上的亲和性是由于rGO薄片上分布良好的Fe位点以及相对于CO2更偏爱N2。

图1 材料表征

图2 膜的吸附行为

图3 氧化石墨烯基膜的气体分离性能

图4 Fe-rGO膜的扩散过程

总的来说，研究者开发了过渡金属离子结合的rGO膜，该膜具有显著的N2/CO2选择性转运能力。该研究提供了一个低成本但高效的方法来调整气体分离膜的性能。（文：水生）

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