美国研究人员制造了分子筛纤维，为大规模化学分离开辟了新的可能性，这种分离方法比传统的蒸馏方法使用更少的能源。 桑卡尔·奈尔和他在佐治亚理工学院的团队已经证明，他们的金属有机框架（MOF）内衬纤维在分离丙烯和丙烷方面可以与蒸馏方法相媲美。这与裂解后产生的原料混合物相同，2011年生产的7700万吨丙烯大部分是从这种混合物中蒸馏出来的。“膜的分离程度是相当的，但使用的能源却大大减少，”奈尔说。
尽管科学家们认识到MOF膜的分离潜力，但它们大多是在大型管子上制造的，其表面积与体积比太低，无法生产廉价的分离模块。微米级纤维会更好，但奈尔解释说，在微米级纤维内部，成功形成膜的条件会发生显著变化。“纤维中存在的反应物量非常少，分子传输和反应过程也大相径庭，”他说。
佐治亚理工学院团队的新方法使用了两种溶液——一种含有锌离子，另一种含有甲基咪唑。将一种溶液放在直径为250微米的空心聚（酰胺-酰亚胺）多孔纤维内部，另一种溶液放在外部，它们开始在两者相遇处形成沸石咪唑酯骨架（ZIF）。他们最初探索了纤维内部溶液不流动的条件，但得到了片状涂层。当他们意识到这种设置无法提供足够的反应物时，他们将内部溶液泵入纤维中，获得了更好的涂层，但难以控制厚度和质量。最后，他们设计了一种间歇方法，允许膜在静态条件下生长，然后定期补充反应物供应。
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这使得奈尔的团队可以通过不同的试剂和溶剂组合来指导薄膜在纤维内部或其内外表面上的生长。他们使用MOF薄膜内部纤维孔中的微小孔隙作为选择性分子级筛，然后从丙烷中分离出氢气或丙烯。“我们已经展示了一条将MOF膜‘缩小’到空心纤维的途径，通过并行复制该过程到捆绑成模块的许多纤维中，我们现在可以展望‘放大’，”奈尔解释说。
沙特阿拉伯阿卜杜拉国王科技大学的化学工程师赖志平表示，这一结果“漂亮地证明”了ZIF-8膜可以批量生产在廉价的载体上。“用高效膜工艺取代蒸馏可以减少高达80%的能源消耗，”赖说。“这显著提高了膜工艺的经济可行性，这可能会导致化学工业的技术革命。”
参考文献
A J Brown等,Science, 2014, 345, 72 (DOI: 10.1126/science.1251181)
本文经《化学世界》许可转载。该文章于2014年7月4日首次发表。