综述：基于聚砜的工业二氧化碳捕集膜：先进的制造策略、性能提升及商业可行性综述

《Process Safety and Environmental Protection》：Polysulfone-Based Membranes for Industrial CO 2 Capture: Advanced Fabrication Strategies, Performance Enhancement, and Commercial Viability: A Review

高温稳定性和气体分离性能优化的聚砜膜研究进展与挑战

　　聚砜（PSF）膜因其出色的热稳定性和可调的气体分离性能，在工业CO?捕集领域展现出巨大的潜力。这类膜材料具有优异的热稳定性，可承受高达180°C的温度，同时具备良好的机械强度，使其成为可持续大规模应用的理想选择。PSF膜的特性不仅体现在其物理性能上，还体现在其化学稳定性上，能够在酸性、碱性、盐类、醇类、烃类和酯类等恶劣环境中保持性能。这些特性使其能够适应复杂的工业气体分离任务，尤其是在高压力和高湿度的环境中，仍能维持稳定的分离效率。

近年来，PSF膜在制备工艺、功能化策略和性能优化方面取得了显著进展。制备技术如非溶剂诱导相分离（NIPS）、电纺丝技术以及混合工艺，极大地影响了膜的结构和气体传输性能。例如，NIPS工艺能够生成具有可调孔径的非对称结构，而电纺丝技术则能制造具有高表面积与体积比的纳米纤维膜，从而提升气体扩散效率。这些技术的结合使得PSF膜在气体分离过程中表现出卓越的性能，尤其是在高CO?浓度和复杂工业气体流中。

功能化策略如引入胺类化合物、离子液体（ILs）和金属有机框架（MOFs）进一步提升了PSF膜的CO?渗透性和选择性。这些材料能够与PSF基质形成特殊的相互作用，增强CO?的溶解能力，并改善其选择性。例如，某些研究显示，加入ILs可以将CO?渗透性提高超过一个数量级，同时将选择性提升至原来的两倍，甚至在某些情况下超过Robeson上界，从而确立了新的工业CO?捕集性能基准。此外，MOFs的引入通过分子筛效应，使得膜能够选择性地通过CO?，同时阻挡较大的气体分子如氮气（N?）和甲烷（CH?）。

尽管PSF膜的性能得到了显著提升，但在实际应用中仍面临一些挑战。其中，高压下的塑化现象（超过35 bar）和纳米填料的聚集（超过15 wt%）是主要的技术障碍。此外，大规模生产的可行性问题依然存在，包括制造成本、工艺复杂性和环保性。为了解决这些问题，研究人员正在探索诸如原子层沉积（ALD）、酶固定化、生物衍生前驱体和人工智能（AI）引导设计等新兴技术。这些技术有望在提升膜性能的同时，减少对环境的影响，并推动PSF膜从实验室研究向实际应用的转化。

在实际应用中，PSF膜已经展现出良好的性能。例如，商业化的PRISM PA1020模块在混合变温吸附（VSA）膜过程中稳定运行，实现了高纯度的CO?流（>95%），并保持了较高的回收率（40.7-63.6%）。此外，PSF膜在高温下的稳定性也优于某些传统材料，例如聚酰亚胺（PI）膜，后者在CO?诱导膨胀的情况下容易发生性能下降。PSF膜的高玻璃化转变温度（Tg）和良好的抗压缩性能使其在循环操作中表现稳定，同时其与MOFs或ILs的混合结构能够保持性能，即使在较高的压力下也能避免结构降解。

在气体分离机制方面，PSF膜主要依赖于溶解-扩散模型和辅助运输机制。CO?在膜中的溶解遵循亨利定律，随着压力的增加和温度的降低，其溶解度也相应提高。然而，这种溶解性需要与扩散性进行平衡，以确保膜的高效运输。辅助运输机制通过引入反应性载体如胺或酶（如碳酸酐酶）来提高膜的选择性和渗透性。这些载体能够与CO?形成可逆的化学或物理结合，从而促进其运输。同时，PSF膜的极性磺酮基团能够增强其对功能填料的兼容性，从而提高CO?的亲和力和分离效率。

为了进一步提升PSF膜的性能，研究人员也在探索纳米复合材料和混合矩阵膜（MMMs）的优化策略。例如，通过在PSF基质中引入二氧化硅（SiO?）纳米颗粒，可以改善膜的结构，提高其气体渗透性。此外，将MOFs或ILs与PSF结合，能够有效提高CO?的选择性，同时减少膜的塑化风险。然而，高含量的填料可能导致填料聚集，从而降低膜的性能。因此，填料的均匀分散和界面相容性成为关键挑战。

在环境影响方面，PSF膜的制备过程涉及一些有毒溶剂如N-甲基吡咯烷酮（NMP），这些溶剂在未妥善处理的情况下可能对水体和土壤造成污染。此外，膜的不可降解性也带来了微塑料的潜在风险。因此，研究者正在探索绿色溶剂、生物衍生填料以及可回收膜结构等策略，以减少对环境的影响。生命周期评估（LCA）表明，与胺吸收相比，PSF膜具有较低的全球变暖潜力，但其制备过程仍需要大量能源，这限制了其在可持续发展中的应用。

工业可行性方面，PSF膜的广泛应用需要解决大规模制造、成本效益和长期环境影响等问题。目前，空心纤维结构被认为是提升PSF膜工业应用的可行路径，其高填充密度和机械强度使其适合大规模生产。同时，连续制造技术如卷对卷工艺能够实现PSF膜的大规模生产，确保其在工业环境中的稳定性和可扩展性。然而，大规模制造仍面临挑战，包括填料的均匀分散、膜厚度的控制以及工艺的可持续性。

此外，AI和机器学习技术的引入为PSF膜的优化提供了新的方向。AI引导设计能够快速筛选聚合物-填料组合和工艺参数，模拟复杂的结构-性能关系，从而加速膜的开发和优化。这些技术还能够预测膜的长期性能和塑化行为，帮助研究人员设计更高效的膜结构。然而，目前这些技术仍处于发展阶段，需要进一步验证其在实际工业环境中的适用性。

总之，PSF膜在工业CO?捕集领域具有广阔的应用前景，其优异的热稳定性、机械强度和化学抗性使其成为高性能气体分离材料。然而，实现其大规模应用仍需克服填料聚集、塑化、工艺复杂性和环境影响等挑战。通过结合新兴技术如AI引导设计、绿色化学和生物衍生材料，PSF膜有望成为未来工业CO?捕集技术的重要组成部分，为全球碳减排提供可靠的解决方案。