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需求背景

二氧化碳的分离和捕捉一直都是行业内比较重视的问题，传统的二氧化碳收集一般使用吸附方法，使用的吸附剂有沸石分子筛、活性炭等，这类方法有几个缺点，一是无论是沸石分子筛还是活性炭，对二氧化碳和其他气体的选择性吸附能力差，二是这两种吸附剂在高温下的吸附能力弱，所以在一些高温环境中很难对二氧化碳进行高效收集，三是收集效率低，使用吸附剂对二氧化碳进行吸附需要进行频繁的吸附-脱附，需要二个乃至多个吸附塔切换操作，操作繁琐，设备投入高。

除了使用传统的吸附剂对二氧化碳进行收集，使用膜分离二氧化碳和其他气体也是新兴的碳捕集方式。膜分为有机膜和无机膜，但传统的膜分离方式也有缺点，有机膜不耐高温，在烟道气等高温环境下无法工作，而传统的无机膜因为其孔径比较大，且孔道不均匀，所以很难二氧化碳和其他的气体分子进行区分，无法高效的选择性收集二氧化碳。

需解决的主要技术难题

1. 选择合适的分子筛材料：分子筛材料是实现CO2分离的关键。需要选择具有高气体分离性能和化学稳定性的分子筛材料。然而，寻找具有同时高选择性和高通量的材料是个挑战。目前常用的材料包括金属有机框架（MOFs）、纳米孔材料和多孔聚合物等。研究人员需要进行大量的实验和理论计算来寻找合适的分子筛材料。

2. 膜制备技术：膜制备技术包括膜材料的合成、薄膜的制备和膜的表征等步骤。要实现高性能的CO2分子筛膜，需要控制膜的孔径、膜层的厚度和表面粗糙度等关键参数。然而，制备高性能的膜需要解决膜的结构和稳定性之间的折衷，以及膜的制备成本和规模化生产之间的平衡。

3. 膜分离性能稳定性：分子筛膜在长时间使用过程中可能会受到CO2吸附、膜材料老化和污染等因素的影响，导致分离性能下降。因此，提高膜的稳定性和耐久性是一个重要的技术难题。研究人员需要开发能够抵御CO2吸附和膜老化的材料和涂层，以延长膜的使用寿命。

4. 规模化生产和成本降低：要实现CO2分子筛膜技术的商业化应用，需要考虑膜的规模化制备和成本降低。目前，高性能分子筛膜的制备成本仍然较高，限制了其大规模应用。研究人员需要开发低成本、高效率的制备方法，并优化膜材料和结构，以降低膜分离技术的成本。

期望实现的主要技术目标

分子筛膜是近年来新开发的一种无机膜，和传统的无机膜相比，其孔道更小且孔道规整，其孔道和气体分子的孔道接近，且可以根据需要选择吸附的气体分子进行孔道调节，比如二氧化碳的气体分子动力学直径为***，甲烷的气体分子动力学直径为***，就可以设计介于***和***的分子筛膜将二氧化碳和甲烷分离。和传统的吸附分离相比，分子筛膜耐高温，热稳定性好，在800°以下的环境中可以高效的工作，分子筛膜还避免了吸附-脱附这一繁琐的操作，直接通过膜透过的二氧化碳分子可以进行单独的收集，效率要比传统的吸附分离要高很多。

需求解析

解析单位：“科创中国”天津中科院先进科技成果技术转移转化专业科技服务团（天津中科先进技术产业有限公司） 解析时间：2023-10-13

王岑

天津中科先进技术产业有限公司

双创服务中心主任

综合评价

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