可规模化大面积ZIF-8膜用于工业丙烯/丙烷分离

首页 > 行业动态 > 可规模化大面积ZIF-8膜用于工业丙烯/丙烷分离

摘要
南京工业大学邢卫红、潘宜昌团队报道的研究中(Nat Chem Eng 2026), DOI: 10.1038/s44286-026-00373-4)针对丙烯/丙烷（C3H6/C3H8）分离高能耗及ZIF-8膜规模化制备瓶颈，提出微空间转化法（MSTP）。该方法解耦锌离子与配体直接碰撞，以管状载体密封内腔为反应空间，可规模化制备200 cm²异质结构HZIF-8膜，实现234片（总面积>4.6 m²）批量制备。膜组件分离性能优异、稳定性强，作者开发工业侧线分离装置，为烯烃提纯提供节能新路径。

研究背景
1. 行业问题：丙烯/丙烷理化性质相似，精馏能耗极高，是化工分离中的重大难题；膜分离节能性突出，但聚合物膜存在性能缺陷，无商业化产品；ZIF-8膜适合该分离，却受限于实验室规模（面积<10 cm²），难以规模化制备无缺陷膜。
2. 现有方案：其他团队开发的ZIF-8膜合成方法，虽能实现实验室级制备，但无法突破规模化瓶颈；或使用ZnO纳米颗粒抑制均相成核，未解决大面积制备的浓度梯度、均一性问题。
3. 本文创新：提出MSTP法，将锌源预锚定为ZnO纳米棒阵列，仅用配体溶液引发反应，抑制均相成核；实现200 cm² HZIF-8膜规模化制备，合格率超90%，成本大幅降低，推动工业应用。

实验部分
1. HZIF-8膜制备：80 cm长管状陶瓷载体预处理后，内表面制备垂直排列ZnO纳米棒阵列（直径~100 nm、长度~600 nm）；注入1.5 M 2-MIM水溶液，60 ℃反应1-6 h生成厚度~1 μm的无缺陷HZIF-8膜，部分膜涂覆PDMS涂层。
2. 规模化制备：搭建连续管对管系统，批量制备234根HZIF-8膜，随机抽样显示微观结构、厚度均一，单批次合格率超90%，三批次性能一致。
3. 性能测试：HZIF-8膜C3H6渗透率3.2×10⁻⁸ mol·m⁻²·s⁻¹·Pa⁻¹，理想选择性286；PDMS/HZIF-8膜高压下稳定性更优，连续运行30天性能无衰减。
4. 工业侧线实验：开发撬装式分离装置，17 bar、55 ℃下，可将95% C3H8、5% C3H6原料分离为64% C3H6渗透液和99.5% C3H8截留液，满足工业要求。
实验小结：新方法解决ZIF-8膜规模化瓶颈，制备效率是传统方法50倍，成本降低一个数量级，验证工业应用可行性。

分析测试
1. 结构表征：XRD证实HZIF-8异质结构；SEM显示膜无缺陷、厚度均匀；FIB-TEM证实ZnO纳米棒嵌入ZIF-8基体（82% ZIF-8、18% ZnO）；陶瓷载体Ra=0.53 μm、Rz=2.05 μm，最可几孔径~100 nm。
2. 理化性能：HZIF-8热稳定性优于纯ZIF-8，孔隙率~60%、孔体积0.51 cm³·g⁻¹；XPS证实Zn-N和Zn-O配位（结合能分别为1021.92 eV、1023.48 eV）；FTIR显示框架刚性增强。
3. 分离测试：HZIF-8膜选择性286，批量制备膜平均渗透率3.58×10⁻⁸ mol·m⁻²·s⁻¹·Pa⁻¹、选择性277；模拟显示膜集成可降低裂解炉能耗3%，减少CO₂排放630 t/y。
MSTP法可制备均一稳定的大面积HZIF-8膜，残留ZnO和PDMS涂层提升膜稳定性，满足工业需求。

机理分析
1. 制备机理：
1) MSTP解耦锌离子与配体碰撞，ZnO纳米棒兼具多重作用；
2) 2-MIM吸附ZnO（吸附能-0.92 eV）促进Zn²⁺释放（解离能0.97 eV），抑制均相成核，制备效率达5 cm²·ml⁻¹。
2. 分离性能增益：HZIF-8通过分子扩散差异分离，ZnO引入的极性位点增强C3H6吸附，残留ZnO和PDMS涂层提升高压稳定性。
3. 规模化优势：
1) CFD模拟显示，传统方法规模化时存在明显浓度梯度，导致膜厚度不均、缺陷增多；
2) MSTP法在轴向和径向均保持均匀浓度分布，ZnO纳米棒预锚定减少溶液中锌离子需求，配体单一溶液减少均相成核，批量制备时膜性能一致性优良，合格率超90%。

总结
1. 本研究提出微空间转化法（MSTP），成功制备大面积（200 cm²）异质结构HZIF-8膜，实现234片膜的批量生产，合格产率超90%；
2. 实际开发PDMS/HZIF-8膜及工业侧线分离装置，验证了膜在工业丙烯/丙烷分离中的可行性，制备成本较传统方法降低一个数量级。

文章标题：Scalable large-area ZIF-8 membranes for industrial propylene/propane separations
文章作者：Haiqian Lian (廉海乾), Jingxian Hua (花敬贤), Qian Wang (汪倩), Eryue Song (宋二悦), Yawei Gu (顾亚伟), Yichang Pan (潘宜昌) & Weihong Xing (邢卫红)
DOI：10.1038/s44286-026-00373-4
原文链接：https://www.nature.com/articles/s44286-026-00373-4

本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。