美國研究人員製造了分子篩纖維，為大規模化學分離開闢了新的可能性，這種分離方法比傳統的蒸餾方法使用更少的能源。 桑卡爾·奈爾和他在佐治亞理工學院的團隊已經證明，他們的金屬有機框架（MOF）內襯纖維在分離丙烯和丙烷方面可以與蒸餾方法相媲美。這與裂解後產生的原料混合物相同，2011年生產的7700萬噸丙烯大部分是從這種混合物中蒸餾出來的。“膜的分離程度是相當的，但使用的能源卻大大減少，”奈爾說。
儘管科學家們認識到MOF膜的分離潛力，但它們大多是在大型管子上製造的，其表面積與體積比太低，無法生產廉價的分離模組。微米級纖維會更好，但奈爾解釋說，在微米級纖維內部，成功形成膜的條件會發生顯著變化。“纖維中存在的反應物量非常少，分子傳輸和反應過程也大相徑庭，”他說。
佐治亞理工學院團隊的新方法使用了兩種溶液——一種含有鋅離子，另一種含有甲基咪唑。將一種溶液放在直徑為250微米的空心聚（醯胺-醯亞胺）多孔纖維內部，另一種溶液放在外部，它們開始在兩者相遇處形成沸石咪唑酯骨架（ZIF）。他們最初探索了纖維內部溶液不流動的條件，但得到了片狀塗層。當他們意識到這種設定無法提供足夠的反應物時，他們將內部溶液泵入纖維中，獲得了更好的塗層，但難以控制厚度和質量。最後，他們設計了一種間歇方法，允許膜在靜態條件下生長，然後定期補充反應物供應。
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這使得奈爾的團隊可以透過不同的試劑和溶劑組合來指導薄膜在纖維內部或其內外表面上的生長。他們使用MOF薄膜內部纖維孔中的微小孔隙作為選擇性分子級篩，然後從丙烷中分離出氫氣或丙烯。“我們已經展示了一條將MOF膜‘縮小’到空心纖維的途徑，透過並行複製該過程到捆綁成模組的許多纖維中，我們現在可以展望‘放大’，”奈爾解釋說。
沙烏地阿拉伯阿卜杜拉國王科技大學的化學工程師賴志平表示，這一結果“漂亮地證明”了ZIF-8膜可以批次生產在廉價的載體上。“用高效膜工藝取代蒸餾可以減少高達80%的能源消耗，”賴說。“這顯著提高了膜工藝的經濟可行性，這可能會導致化學工業的技術革命。”
參考文獻
A J Brown等,Science, 2014, 345, 72 (DOI: 10.1126/science.1251181)
本文經《化學世界》許可轉載。該文章於2014年7月4日首次發表。