随着化石资源枯竭与全球变暖加剧，生物油作为可再生能源的重要方向，其提质升级成为能源领域的关键课题。生物油中高含量水分不仅严重抑制酯化反应转化率，还-降低其热值、增强腐蚀性，导致储存运输困难，因此高效脱水是生物油升级的核心环节。传统蒸馏技术存在能耗高、生物油热降解等弊端，而膜分离技术虽具有选择性高、能耗低的优势，但在生物油复杂体系中面临严重膜污染与通量衰减的双重瓶颈，制约了其工业化应用。

 针对这一难题，华南理工大学李刚教授、樊栓狮教授团队联合大连理工大学周亮教授团队，开展了ZSM-5沸石膜用于生物油渗透汽化脱水的系统研究，通过揭示水分传输机制并优化膜结构，成功开发出高选择性、高稳定性的robust ZSM-5膜，为生物油精炼提供了高效解决方案。

研究团队首先验证了致密ZSM-5膜（M-24）的脱水性能。如图1所示，M-24膜由交织生长的ZSM-5晶体构成，厚度约6μm，具有良好的MFI拓扑结构（插图XRD）。该膜对水分展现出优异选择性，渗透液中水含量始终高于98wt%（图2），但在生物油体系中仅8小时内通量便从0.5kg・m⁻²・h⁻¹骤降至0.05kg・m⁻²・h⁻¹，严重的膜污染导致通量衰减成为核心问题。

 图 1 （a）M-24的俯视图和（b）横截面扫描电子显微镜图像。

 （a）中的插图是M-24的X射线衍射图谱

 图 2M-24的生物油渗透汽化脱水性能随时间的变化

为揭示传输机制，团队通过对比纯水环境与生物油体系中ZSM-5膜的水分渗透行为（图3），发现两者渗透活化能存在显著差异：纯水环境中为−6.82kJ・mol⁻¹，生物油体系中为−17.99kJ・mol⁻¹。结合吸附热重分析（图4）可知，生物油中有机组分与ZSM-5晶体形成π-复合物，导致晶内孔被严重堵塞，水分传输路径从纯水中的“晶内孔主导”转变为生物油中的“晶间孔主导”。这一关键发现为膜结构调控指明了方向——构建富含晶间孔的疏松结构是提升脱水通量的核心路径。

 基于上述机制，团队通过缩短水热合成时间（从24h降至16h、20h），成功制备出M-16、M-20两种疏松结构ZSM-5膜。与致密的M-24相比，M-16和M-20的晶体交织程度降低，形成了丰富的晶间孔，He渗透实验证实，M-16的He渗透率达2.29×10⁶mol・m⁻²・Pa⁻¹・s⁻¹，是M-24的3倍，印证了晶间孔数量的显著增加。

 图 3 生物油渗透汽化脱水过程中M-24的水渗透通量的阿伦尼乌斯图

 图 4ZSM-5分子筛吸附水和生物油后的热重曲线

性能测试结果显示（图5），70°C时M-16的总通量高达2.7kg・m⁻²・h⁻¹，是M-24的15倍以上，且渗透液中水含量仍保持93wt%（M-16）和98wt%（M-20）的高选择性。高温稳定性测试进一步证实，三种膜在70°C、10h连续运行中均保持稳定的通量与选择性，其中M-16展现出最优的综合性能。渗透液照片（图6）直观显示，与深褐色的原料生物油相比，通过ZSM-5膜的渗透液几乎完全透明，充分验证了膜的高脱水选择性。

 图5 在70℃下，使用M-16、M-20和M-24时生物油渗透汽化脱水性能随时间的变化

 图6 （a）生物油以及（b）在70℃下渗透蒸发10小时后通过M-16、M-20和M-24收集的渗透物流的照片

 该研究通过分子传输机制解析，明确了晶间孔在生物油脱水过程中的核心作用，提出的“缩短合成时间调控膜结构”策略，成功解决了传统ZSM-5膜“污染堵塞导致通量衰减”的关键问题。优化后的ZSM-5膜兼具高通量、高选择性与优异稳定性，且制备工艺简单、成本可控，相比蒸馏技术大幅降低能耗，相比现有膜材料显著提升实用性，为生物油脱水的工业化应用提供了可靠的技术方案。

相关成果以“Robust ZSM-5 Membranes for Efficient Bio-OilDehyd ration : Transport Mechanism and Its Implication on Structural Tuning”为题发表于《Industrial&Engineering Chemistry Research》（2021,60,1799−1807）。