立足我国“双碳”战略需求，膜法碳捕集在工业降碳领域逐步展现出应用前景。近日，天津大学牵头承担的国家重点研发计划项目“高性能混合基质气体分离复合膜规模化制备及应用”通过综合绩效评价验收。
项目建成的国际首套千吨级混合基质膜二氧化碳捕集中试装置实现了千小时稳定运行，并于今年5月全面通过考核。
在该项目推进过程中，以天津大学化工学院教授王志为主要负责人的项目课题组系统开发了高性能二氧化碳分离混合基质膜材料、规模化制膜技术及工业级膜组件制备技术，实现了混合基质膜碳捕集技术从实验室研发向工程化应用的跨越，为膜法碳捕集产业化发展奠定了坚实基础。
打通实验室到产业化堵点
王志表示，相比当前行业主流二氧化碳捕集工艺，膜法碳捕集具有无需添加化学药剂、占地紧凑、工况适配性强等特点，还可适配移动场景，具备显著成本优势。
但混合基质膜技术同时还面临材料生产难放大、难以连续量产、缺乏工业中试验证等技术难点。依托国家重点研发计划“高端功能与智能材料”重点专项，王志团队联合多方科研力量，聚力突破碳捕集技术创新与新型膜材料产业化难题。团队创新提出“预占位—后激活”策略，开发荷正电聚合物刷金属—有机框架材料，攻克大面积制膜关键难题，首次实现幅宽一米金属有机框架(MOF)基耐压二氧化碳分离混合基质复合膜卷对卷连续规模化制造，打通了该领域实验室成果产业化堵点。
依托持续技术攻关，团队建成国际首套千吨级混合基质膜二氧化碳分离中试装置，装置烟道气处理能力达到1000标准立方米/小时，碳捕集规模为1600吨/年。这套中试装置在中石化南化公司燃煤电厂真实烟气工况下连续稳定运行超1000小时，二氧化碳分离纯度稳定达到95%以上，充分验证了混合基质膜体系运行的稳定性、可靠性与工程应用潜力。
今年5月，专家组赴现场实地考察装置、核验运行数据并开展现场测试，对项目在纳米填料开发、大面积混合基质膜制造、工业膜组件研发等一系列创新成果给予高度评价。
构建完整膜技术体系
从新型膜材料原料到工业化膜组件，项目团队锚定混合基质膜工程化目标，突破多项核心技术，搭建起覆盖材料创制、膜制备、性能测评、现场工程应用的完整技术链条，形成拥有自主知识产权的完整技术体系。截至目前，项目累计申请发明专利20项，发表学术论文42篇。
在高性能纳米填料研发层面，团队建立二氧化碳分离纳米填料绿色可控规模化制备路线，开发出SNW-1-PVAm、UiO-66-NH2和UiO-66-NH2-PVAm等系列高性能纳米填料，为高性能混合基质膜制备提供核心原料支撑。
在大面积规模化制膜环节，研究团队破解纳米填料均匀分散、界面相容性、超薄分离层连续制备多道技术壁垒，创新开发浸涂—狭缝联合涂布、“预沉积+界面聚合”两套特色工艺，搭建起幅宽1米以上、年产能20万平方米的膜材料工业化生产线，实现混合基质膜持续稳定大规模生产。
针对混合基质膜应用特性，团队同步开发专用卷式膜组件制备技术，有效降低浓差极化与运行压力损失，同时提升膜元件装填密度，有效膜面积可达30平方米以上，完全满足工业化装置使用条件。
王志介绍说，整套技术体系相比国际同类二氧化碳分离膜，在分离性能、量产能力、工程适配层面综合优势突出。对比团队此前开发的聚合物分离膜，新工艺单位烟气处理所需膜面积下降29.0%，综合能耗降低8.2%，大幅提升膜法碳捕集项目经济竞争力。
适配多元化气体分离场景
“中试装置成功验收只是起点，混合基质膜碳捕集技术未来拥有广阔的发展空间。”王志介绍说，混合基质膜碳捕集技术可广泛应用于燃煤电厂、钢铁、水泥、化工等高耗能行业烟气脱碳场景，同时适配天然气、沼气、合成气等能源气体净化需求，在空气分离、挥发性有机物脱除领域同样具备应用潜力。而且整套工艺具备能耗水平低、运行成本可控、模块化快速扩容等鲜明优势，适配国内多个行业的气体分离和降碳需求。
王志表示，团队下一步将深化与电力、能源、化工领域龙头企业产学研协同合作，稳步推动膜法二氧化碳捕集技术从中试规模迈向万吨级、百万吨级大型工业化工程，依托自主低碳技术为大规模碳减排、全球气候治理输出中国方案。与此同时，团队将继续优化膜材料分子设计与制膜工艺，不断拓展混合基质膜多元应用场景，深化产学研深度融合，提升整套技术的商业竞争力，助力碳捕集、利用及封存产业高质量发展。
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