国际顶级学术期刊《自然·能源》10月7日在线发表了一项来自天津大学的成果：姜忠义、何光伟团队研制出一种新型全有机混合基质膜，跨过了膜分离性能与加工性难以兼顾这道坎。新华社同日发布消息，称这一成果为工业气体低能耗、低成本碳捕集提供了新的材料路径。在“双碳”目标的时间表里，碳达峰、碳中和两步走，工业减排压力越来越大，这类低成本碳捕集技术的分量正在加重。
碳捕集技术难点
所谓碳捕集，就是把释放到大气中的二氧化碳捕捉下来，压缩后封存到枯竭的油田或其他安全的地下场所。它是实现“双碳”目标的重要一环。
难点出在源头。电厂、水泥厂、钢铁厂排出的工业气体，二氧化碳浓度不高，总量却极大。要把这些低浓度的二氧化碳“筛”出来，传统办法能耗高、成本高。
膜分离技术被认为是另一条路。它绿色、低碳、节能，一直被看作极具潜力的碳捕集技术。问题在于，膜材料本身得先“争气”。
电厂、水泥厂、钢铁厂排出的烟气，二氧化碳浓度不高，总量却很大。
一张膜，要同时当好四样东西
膜是膜分离技术的“筛子”。气体分子在膜两侧压力差的驱动下，以不同速率穿过膜：二氧化碳跑得快，氮气跑得慢，就此分开。面对工业烟气，这张膜要让二氧化碳快速穿过，又要有效截留其他气体；要扛得住长期运行，还得能规模化加工。四样要求叠在一起，构成了碳捕集膜材料研究的前沿与挑战。
混合基质膜被寄予厚望：它能把聚合物的良好加工性与多孔填料的高效传输能力结合起来，在低能耗碳捕集技术中占据重要地位。但两类材料性质迥异，先要解决相容性问题——多孔填料一加进去，常伴随颗粒团聚、沉降和界面缺陷，内部孔道的传质优势发挥不出来。
传统做法靠增大作用力，把填料和聚合物“粘得更牢”。效果有限，还容易引起界面聚合物链硬化、填料孔道堵塞。结果填充量上不去，分离性能仍由聚合物基质主导，填料的“本事”被白白浪费。
让填料自己“站好位置”
天大团队没有在“粘得更牢”上继续加码。他们受细胞膜全有机镶嵌结构启发，提出“弱界面作用镶嵌”策略：把具有规整有序孔道的单晶共价有机框架（COF）与高分子聚合物复合，做出全有机混合基质膜。
共价有机框架是一类由轻元素以强共价键连接而成的多孔晶体材料，孔道规整、尺寸可以设计。用单晶形态，晶体内部的孔道结构几乎不带缺陷，能把“设计好的孔”原样带进膜里。具体做法是设计低表面能的填料，同时协调“填料—聚合物”与“填料—填料”两类相互作用：界面结合力够用就行，重点是抑制填料彼此黏附、抱团。这样，COF就能以高填充量、均匀地“嵌”进膜里，结构保持“高保真”，性能上真正“当主角”。据国际学术媒体报道，本次COF的填充量达到体积分数75.5%，在混合基质膜里属于很高的水平，填料不再是可有可无的配角，而是连成了主导气体传输的连续网络。
这种膜保留了膜材料的柔性与溶液加工性，同时构建起二氧化碳快速传输通道。把工业碳减排的难题，转化为高端膜材料的科学问题。
渗透率破纪录，成本约38美元/吨
在模拟烟气混合气测试中，这款膜的二氧化碳渗透率实现数量级提升，突破文献纪录值，达到模型预测纯COF膜理论值的约70%。据国际学术媒体报道，其二氧化碳渗透率达到74800 Barrer，二氧化碳/氮气选择性约为20。渗透率上去了，同等捕集任务需要的膜面积和驱动压力就能降下来，设备的固定投资和运行能耗都有机会收缩。
耐用性同样关键。在含水分、硫氧化物和氮氧化物的测试条件下，膜性能保持稳定；据国际媒体报道，聚酰亚胺基的膜室温老化6个月后，仍保留约85%的初始渗透率。
对照来看，传统胺基化学吸收法靠溶剂把二氧化碳“洗”下来，溶剂再生能耗普遍在3.7-4.2 GJ/吨二氧化碳，多数测算下捕集成本落在每吨60-100美元；膜法直接用压差分离，是业内公认的低能耗路线。初步技术经济分析给出了更直观的数字：在设定流程与成本条件下，这款膜的碳捕集成本约为38美元/吨二氧化碳，比传统胺法的常见成本区间明显更低。
渗透率大幅提升，意味着同样捕集任务下所需膜面积和能耗有机会降下来，这正是工业用户最看重的两件事。
小结
这项成果的意义，是给工业碳捕集多了一个新选项。按团队的说法，它有望在电力、水泥、钢铁等行业的烟气碳捕集中得到应用。
放在更大的背景里看，天津大学在膜法碳捕集上已经持续攻关多年：建成了国内首套拥有自主知识产权的膜法烟道气碳捕集示范装置，日处理烟气5万标准立方米；今年3月，天大化工学院王志团队又在《先进材料》发表成果，实现幅宽一米的MOF基碳捕集膜“卷对卷”规模化连续制造。材料性能与制造工艺两头，都在取得进展。
当然，实验室数据与工业应用之间还有距离。38美元/吨是初步估算，真实烟气里的长期运行、膜组件放大制造，都还需要工程验证。接下来值得看的，是这张膜什么时候能在电厂、水泥厂的烟道里跑起来，成本能不能再降一截。
规模化制造与应用验证，是碳捕集膜接下来要过的关。
素材来源：津云新闻
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