纳米纤维素（椰壳纤维）改性混合基质膜用于CO2 /CH4 分离的创新研究

推荐：本研究首次将农业废弃椰壳纤维转化为纳米纤维素填料DANC@PEI，用于改性聚砜（PSF）混合基质膜（MMMs），显著提升CO2 渗透性（纯气12.21 Barrer，混合气11.35 Barrer）和选择性（CO2 /CH4 ），为解决天然气净化中高成本、低效率的CO2 分离难题提供环保新策略。

　　

随着全球对清洁能源需求的增长，天然气（主要成分为CH₄
）的净化处理成为关键环节，其中CO₂
分离直接影响能源效率和碳排放。传统聚合物膜存在渗透性与选择性相互制约的“trade-off效应”，而混合基质膜（MMMs）通过引入无机填料可突破这一限制。然而，现有填料常面临成本高、制备复杂或环境兼容性差等问题。农业废弃物椰壳纤维富含纤维素，其纳米化结构和高比表面积为气体分离提供了新思路，但此前未被系统探索用于CO₂
/CH₄
分离。

为解决上述问题，国内研究人员在《Sustainable Chemistry for Climate Action》发表研究，首次将椰壳纤维衍生的纳米纤维素（NC）经氧化和聚乙烯亚胺（PEI）功能化，制备新型DANC@PEI填料，并掺入聚砜（PSF）基质中形成MMMs。通过FTIR（傅里叶变换红外光谱）、TGA（热重分析）、SEM（扫描电镜）和XRD（X射线衍射）表征证实，DANC@PEI的氨基官能团显著增强CO₂
吸附位点，而CH₄
几乎不参与作用。

关键实验方法

1. 从椰壳纤维提取纳米纤维素（NC），经高碘酸钠氧化为双醛纳米纤维素（DANC）；
2. 通过席夫碱反应将PEI接枝至DANC，合成DANC@PEI填料（1-5 wt.%）；
3. 采用相转化法将填料与PSF共混制备MMMs；
4. 通过纯气和混合气渗透实验测试CO₂
   /CH₄
   分离性能。

研究结果
1. 填料表征
FTIR显示DANC@PEI在1640 cm^-1
出现C=N特征峰，证实PEI成功接枝；TGA表明填料热稳定性达250°C，满足膜应用需求。

2. 膜性能提升
含5 wt.%填料的MMMs在纯气测试中CO₂
渗透性达12.21 Barrer，较纯PSF膜（7.02 Barrer）提升74%；混合气条件下仍保持11.35 Barrer，且CO₂
/CH₄
选择性显著提高，归因于PEI的氨基与CO₂
可逆反应。

3. 结构-性能关系
SEM显示填料均匀分散，无界面缺陷；XRD证实填料引入未破坏PSF非晶结构，保障机械强度。

结论与意义
该研究开创性地将农业废弃物转化为高效气体分离材料，DANC@PEI填料通过化学吸附和尺寸筛分双重机制实现CO₂
/CH₄
高效分离。其环保性、低成本（椰壳纤维来源广泛）和性能优势（渗透性与选择性同步提升）为天然气净化及碳捕集技术提供了可持续解决方案，符合“双碳”战略需求。未来可通过优化填料负载量及交联度进一步提升工业适用性。