助力“碳中和”，探寻中空纤维膜之道

杜月娇

多年来，从走出国门踏入美国佐治亚理工学院，到加入法国科技公司，而后辗转至美国劳伦斯伯克利国家实验室，马沧海科研报国的初心从未改变。“学成归国”的家国情怀一直伴随他，用以激励自我，勇攀高峰。

把成果写在祖国大地上

2020年3月，再次踏上祖国土地那一刻，马沧海心中涌起阵阵波澜。阔别故土十余载，其间虽有回国交流研讨、探望家人的时刻，但没有一次比这一刻更令人激动。以前，为了学习先进技术、吸取国外成功经验、提高自身专业能力，他不得不频频踏上海外漂泊之旅。如今学有所成，成功入选国家级青年人才计划，他终于能够扎下根来，着手实现自己的理想——把成果写在祖国大地上。

马沧海回国的这一年也是意义重大的一年。2020年9月22日，中国在第75届联合国大会上正式提出2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的“双碳”目标。

节能降碳，科技先行。从源头替代、过程削减、末端捕集等方面综合寻找科技创新的新方向，成了科技工作者和社会企业的共同发力点。对于长期从事膜分离技术及应用研究的马沧海来说，这是最好的时候。

膜分离技术是利用具有特殊选择分离性的高分子等材料作为分离元件，在一定的驱动力作用下，使双元或多元组分因透过膜的速率不同而达到分离或特定组分富集的目的。

通俗来讲，这项技术的作用就是“过滤”。好比日常生活中过滤豆浆，高分子膜材料制成的膜相当于豆浆机中的滤网，可以将豆浆与豆浆渣这样的不同物质分离。但膜分离技术可比普通滤网强大得多，它具有无相变、能耗低、常温运行、占地面积小、操作简便、易于自动化、极其适合处理热敏物质等优点，在化工、环保、生物工程、医药、食品等行业均有广泛的应用。生活中常用的净水器、锂离子电池隔膜、口罩、果汁等产品就应用到了这项分离技术。不过，这项技术当前最重要的应用方向之一还是气体分离，包括制氮、富氧、提氢、脱碳、有机蒸汽回收等。而马沧海专攻的，正是碳捕集方向的膜分离技术。

膜分离法依靠二氧化碳混合气体中不同气体在分离膜两侧的溶解度或扩散率的差异分离出二氧化碳。目前，基于膜技术的气体分离主要依赖于具有可定制气体传输特性的合成聚合物材料。超渗透性和选择性聚合物膜成为工业应用中实现气体产品理想回收率和纯度的关键因素，在合成氨工业氢气回收、石化含烃尾气处理等多种系统中均已有成功应用案例。

但近年来，随着气体膜分离应用要求的提高和应用环境的日趋复杂，传统膜材料因气体渗透性能和选择性能的罗伯逊（Robeson）上限、老化和塑化等问题，已经不能满足日益增长的工业需求。提高聚合物膜的气体分离性能、开发新型膜材料并完成从实验室制造到工业应用的转变，是气体膜分离技术推广应用的当务之急，也是马沧海当前科研工作的重点。

2021年，马沧海依托大连理工大学平台，联合其他多个院校的合作者提出了通过热交联“缩小孔径分布和增强分子筛分性能”这一新策略，解决了当前膜气体分离性能不足的关键挑战，并在此基础上开发了一种通过PIM-BM/TB的多共价交联来设计微孔聚合物共混膜的方法。在300℃下热处理5小时的实验中，具有可定制孔隙率的交联PIM-BM/TB分子筛膜显示出813.6的超高氢气-甲烷选择性，同时保持358Barrer的氢气渗透性。更重要的是，这种交联膜在分离包括氢气-甲烷、氢气-氮气、氧氮在内的多种混合气体的表现上，均大大超过了当前常规聚合物膜的性能上限，这项成果被国际著名学术期刊《自然》（Nature）子刊接受发表。

着眼应用，从源头上进行基础研究创新工作，寻找气体分离膜的改进方法和新材料的制备手段，是马沧海实现梦想的第一块重要拼图。而聚焦前沿，把握行业未来发展新趋势，深耕新型分离膜材料的同时积极布局高端分离膜制备及产业化，在马沧海看来同样重要。

立足国情探索科研新方向

中空纤维膜是功能纤维材料与分离膜技术交叉形成的新型膜产品，是分离膜领域中发展最快、规模最大、产值最高的一类新型膜技术产品。与卷式膜等其他类型分离膜相比，中空纤维膜具备耐压性能好、无需支撑体、在膜组件内装填密度大、单位体积膜面积大、通量大等优势。就目前而言，我国虽然在反渗透、超滤和微滤等膜材料、组件及装置方面已经建立了较为完备的研发与产业体系，具有较强的国际影响力和竞争力，但膜科学基础及应用研究与国际顶尖水平仍有差距，高精度、高性能、特種分离膜产品与国际一流产品相比仍有较大差距，庞大的高端膜市场仍被国外企业垄断。面对发达国家对高端技术的封锁局面，推动我国中空纤维膜技术和产业创新发展的需求日趋紧迫。

早在2008年，马沧海就在世界顶级气体分离膜研究团队——威廉·科罗斯（William Koros）院士课题组开始从事中空纤维膜的制备和工业应用研究工作。博士毕业前夕，马沧海因过硬的专业实力和出色的表现被聘为法国液化空气集团（Air Liquide）研发科学家。这是一家成立于1902年的老牌化工企业，一个多世纪以来始终坚守在气体分离与制备的科学疆域，在气体膜分离技术成果转化方面积累了丰富的经验。本着深入了解实践需求、学习产业化经验、提升自我专业技能的想法，马沧海在这里一待就是5年，其间主要负责的便是中空纤维膜的制备及其放大化研究。

当前制备中空纤维膜的材料主要包括高分子和无机材料，高分子膜占据主要气体膜分离市场，但是存在罗伯逊（Robeson）上限问题。采用无机炭材料制作气体分离膜，具有“外柔内刚”的特性，密度比传统氧化铝膜轻，并兼有耐腐蚀、耐疲劳、高性能等优势。马沧海指出：“按照未来发展趋势，用户对膜使用条件的要求必然越来越高，如耐高温、耐有机溶剂、耐酸、耐碱等，其中有些要求是高分子膜材料无法满足的。相对的，炭中空纤维膜材料和结构特点决定了它能够满足这些苛刻条件。”

然而，制备炭中空纤维膜并不是一件容易的事情，仅仅是完成中空纤维原丝的预炭化这一步骤就困难重重：预炭化过程中易发生纤维粘连和纠缠，这不仅损伤纤维表面，而且会阻碍预炭化过程中反应热的释放，造成过热和纤维断裂。预炭化过程中，对氧气浓度、加热速率、炭化温度和炭化时间的要求极其严苛，炭化温度越高，气体筛分性能越好，但是会降低其机械性能，炭化温度直接影响炭中空纤维膜的力学性能和气体分离性能。

国外长期从事中空纤维膜开发的企业众多，而且早在20世纪70年代就开始了研究，在成果转化方面具有先天优势。而我国中空纤维膜的研发依然以高等院校、科研院所为主，大体仍处于基础研究阶段；基础研发与产业需求往往脱节，成果转移和转化存在障碍。在我国亟须实现“双碳”目标的重大背景下，面对社会日益增长的节能减排要求，如何制备性能满足实际分离应用需求的中空纤维膜，从而大幅降低分离过程的能耗及碳排放，仍是当前膜领域面临的重大难题……这样的局面让马沧海备感忧虑，只是他深知：国外的中空纤维膜制备技术已经遥遥领先，其经验只能借鉴，不能照搬，一切还要立足于我国实际情况，以发展的眼光看待问题，争取弯道超车，早日成为世界膜强国。当前，如何最大限度地发挥中空纤维膜的性能、如何制造配套膜组件、采用何种组装方式才使其具备产业化优势……这些问题的答案，马沧海仍在探索。

尽管前路漫漫，但和其他千千万万的中国梦建设者一样，马沧海对我国高端膜分离技术和产业的未来充满了信心。在他看来，哪怕只是沧海一粟，只要能为这一领域向前迈进做出不懈努力，为我国实现“双碳”目标添砖加瓦，他的年华就不算虚度，他的人生便称得上精彩。

（责编：袁园）