天然气中的C2H6是重要乙烯原料，需与共存CO2高效分离。传统蒸馏与吸收工艺能耗高、成本大，因此低能耗、操作简便的膜分离技术备受关注。SSZ-13沸石膜具有0.38nm均匀孔径和良好稳定性，能基于分子尺寸差异实现CO2/C2H6分离。然而，现有膜活化多依赖高温煅烧，易产生缺陷且能耗高；紫外线或臭氧氧化等低温活化方法则耗时较长，仍需进一步优化。

 针对这一问题，华南理工大学化学与化工学院樊栓狮教授、李刚教授团队提出了一种新型两步活化方法，结合了加氢裂化步骤和随后的氧化过程，用于开发高性能SSZ-13沸石膜，以实现高效的CO2/C2H6分离。这种两步活化方法能够在相对较低的温度下更有效地去除模板，从而显著提高膜的择优性和渗透率。

图1和图2分别展示了通过两步活化工艺制备的SSZ-13沸石膜的单一气体渗透率、对各种气体的选择性以及单组分渗透率随温度的变化。研究结果证实，本研究提出的低温两步活化工艺比传统的单步活化工艺在制备高性能SSZ-13沸石膜方面更具优势。

图1 (a)在25℃下，SSZ-13沸石膜对不同动力学直径气体的单气渗透率。(b) SSZ-13沸石膜分离各种气体的选择性

图2 两步活化MH-350-10@MO-350-20膜的单一组分渗透率随温度的变化

两步活化法得的的沸石膜分离等摩尔CO2/C2H6混合物的渗透性能随进料压力和温度的变化如图3所示。随着进料压力的增加，CO2和C2H6均下降，这是因为吸附的CO2和C2H6的化学势梯度随着覆盖度在较高进料压力下接近饱和而降低。此外，与在0.2MPa相同进料压力下单气体渗透的CO2/C2H6理想选择性211相比，分离等摩尔CO2/C2H6混合物的CO2/C2H6选择性为19，要低得多。推测，该现象是由C2H6在沸石孔中的强吸附引起的。为了验证这一推测，分别测量了30℃和50℃下CO2和C2H6的吸附-脱附等温线，如图4所示。计算得到的C2H6的吸附热高于CO2，这表明C2H6与SSZ-13沸石膜之间的相互作用比CO2更强，这可能是其优先吸附的原因。SSZ-13沸石的突破曲线（针对CO2/C2H6混合物（50/50，体积比），见图5）进一步表明，C2H6在SSZ-13沸石的孔中得到了优先吸附。上述结果证实，MH-350-10@MO-350-20 膜的CO2渗透率降低和CO2/C2H6选择性的下降，是由于在CO2/C2H6二元混合物中，C2H6在膜上发生了竞争性吸附所致。

图3 两步活化MH-350-10@MO-350-20膜分离等摩尔CO2/C2H6混合物的渗透性能随(a)进料压力和(b)温度的变化

图4 SSZ-13晶体的CO2和C2H6吸附-脱附等温线，测量温度为(a)30℃和(b)50℃(c) SSZ-13晶体上

CO2和C2H6吸附的焓随吸附体积的变化

图5 在25℃下测量的SSZ-13沸石的CO2/C2H6(50/50,v/v)混合物的突破曲线

图6显示了在25°C和0.2MPa进料压力下，用于分离等摩尔CO2/C2H6混合物的两步活化 MH-350-10@MO-350-20 膜的稳定性。CO2和C2H6的渗透率分别为约4.0×10−8和2.0×10−9mol Pa−1 m −2 s −1，在30小时的测试期间几乎保持不变，CO2/C2H6的选择性约为20。这些结果表明该膜在CO2/C2H6分离方面具有优异的稳定性，表明SSZ-13沸石膜在CO2/C2H6分离过程中的实际应用潜力。

图6 在25℃下，通过两步活化MH-350-10@MO-350-20膜分离等摩尔CO2/C2H6混合气的气体渗透率随时间变化

 相关工作成果近日以“Two-step activation of SSZ-13 zeolite membranes for mild template removal and enhanced CO2/C2H6 separation”为题发表在膜科学领域国际期刊《Journal of Membrane Science》。

文章通讯作者为华南理工大学化学与化工学院李刚教授，第一作者为华南理工大学化学与化工学院研究生陈伟波，论文作者还包括化学与化工学院樊栓狮教授、王燕鸿副研究员和郎雪梅副研究员。该研究得到了中央高校基本科研业务费专项资金（项目编号 2024ZYGXZR100）和广东省基础与应用基础研究基金（项目编号 2022A1515012066）的支持。