2024年太原能源低碳发展论坛上，由太原理工大学膜科学技术团队自主研发的中空纤维气体分离膜材料和膜组件受到关注。
基于国家能源安全和能源清洁高效利用的现实需求，气体膜分离技术广泛应用于富氢、碳捕集、天然气提氦和挥发性有机物治理等领域，已经成为新能源开发、环境保护、资源回收等领域共性关键技术和传统产业升级的重要共性支撑，对提升我国战略资源储备，实现碳达峰碳中和目标具有重要意义。然而，受原材料和膜制备工艺限制，我国气体分离膜长期被国外垄断，存在巨大隐患。
太原理工大学膜科学技术团队依托该校国家“双一流”建设化学工程与技术学科和省部共建煤基能源清洁高效利用国家重点实验室的先进科研平台，突破国外对气体分离膜原材料、膜丝生产工艺、膜组件装配的技术壁垒，自主研发出具有特殊桥联结构的聚酰亚胺类高分子膜材料，在国内率先实现气体分离膜材料量化生产和工业应用，解决了氦气等特殊气体高效分离的关键技术难题，有效填补国内空白，实现进口替代，为我国能源气体脱碳、天然气提氦等提供了“膜”法解决方案。
打破国外垄断攻克气体分离膜关键核心技术
在太原理工大学膜科学与技术研究中心实验室里，工作人员李师傅依照既定配方将状如乱麻的白色、黄色膜材料放入纺丝机，经混溶挤压加工后，生产出如龙须面般细腻修长的膜丝。这些外直径约为0.3毫米的中空纤维膜丝将被装入不同规格的标准化膜组件，应用于各种气体分离和提纯场景。
“通俗来讲，气体膜分离技术的作用就是‘过滤’，即以膜两侧气体的压力差为推动力，利用混合气中不同气体在膜中渗透速率不同，从而达到气体分离目的。”该校膜科学技术团队技术负责人廖家友介绍，气体膜分离技术是一种成本低、能耗少、绿色无污染的新型高效气体分离技术。长期以来，该技术主要被国外少数几家企业垄断，导致我国天然气提氦、大规模能源气体净化等都受制于人。
膜材料是气体膜分离技术的核心。为了打破国外垄断，膜科学技术团队从膜材料出发，突破了高分子膜材料批量化生产壁垒，开发出高性能膜材料。同时采用表面偏析技术，并借鉴碳纤维生产工艺，自主设计纺丝配方，实现了超细中空纤维膜连续纺丝生产。该成果被授权国家发明专利6项、实用新型专利12项。
“实现气体分离膜材料批量生产并非易事，仅是克服膜材料大规模制备过程中的凝胶现象就困难重重。”提及艰难攻关过程，团队成员高成云博士至今记忆犹新：气体分离膜材料批量合成过程中，溶液极易暴聚形成固态凝胶，导致整锅料被毁。团队成员不厌其烦调配方、做实验，历经无数次失败，终于设计出特殊的分子桥联结构膜材料，破解了这一难题。
有了科研成果的坚实基础，在投资伙伴和学校领导支持下，团队2018年成立山西格瑞思科技有限公司，将实验室成果逐步中试放大；2020年在山东省临沂市投资1.2亿元建立生产基地——山东汇海膜材料科技有限公司，在全国率先实现中空纤维气体分离膜量产和工业化应用，填补了中空纤维气体分离膜国产化批量生产空白。2023年，团队与山东汇海膜材料科技有限公司、四川星秦能源科技有限责任公司共建膜科学与技术研究中心，开启了产学研用全产业链一体化发展之路。
“新型科技产品推广应用难度很大，特别是许多企业都不敢第一个吃螃蟹，不敢尝试新技术。”追忆创业之初，团队成员马纪伟博士感慨万千，“成果转化需要大量资金投入，更需要企业家用发展的眼光看问题。希望政策能够发挥更大引导作用，让新产品在替代进口产品和替代传统技术过程中得到更多机会。”
实现进口替代神奇“膜”法应用场景广阔
二氧化碳分离膜、氦气分离膜、氢气膜、富氧膜、甲烷氮气分离膜、挥发性有机物分离膜、脱湿膜……走进山东汇海膜材料科技有限公司展厅，仿佛走进一座膜材料博物馆。
从2020年创建至今，公司已建成现代化生产车间1万余平方米，装配投产5条高速多喷头自动化生产线，可年产中空纤维膜约100万平方米。提及企业发展，公司董事长谢忠宝表示：“我们已经形成膜材料—膜组件—膜应用设备为一体的全产业链生产服务体系，可为石油、天然气、煤焦、钢铁、水泥、热电、农产品保鲜仓储及物流运输等行业提供二氧化碳捕集、硫化氢脱除、氦气提取、氮气保护、挥发性有机物治理等分离系统及技术支撑。”
“气体膜分离是碳减排的重要手段之一。在我国实现‘双碳’目标关键时期，团队研发的二氧化碳分离膜将为我国低成本二氧化碳分离捕集提供有力工具。”团队成员孟现洁博士解释，二氧化碳排放加剧温室效应，对全球生态环境构成严重威胁，但二氧化碳也并非一无是处，它也是重要的碳资源。将天然气、油田伴生气、沼气、烟道气等体系中的二氧化碳分离捕集，再加以合理开发利用，如制备成甲醇、甲酸或用作植物气肥、海上驱油气等，是将其转化为能源和产品的重要途径。
