分子筛膜是一类具有规整孔道结构的硅铝酸盐材料，有效孔径由分子筛本征孔道结构决定，是小分子间精密分离的理想膜材料。将分子筛膜用于有机溶剂与水的分离已实现工业应用；用于气体分离，可同时获得高通量和高选择性，突破Trade-off限制，正处于实验研究向中试放大的过渡阶段。
为了突破分子筛膜气体分离工业应用的瓶颈，南京工业大学顾学红教授、王学瑞教授与荷兰代尔夫特理工大学Freek Kapteijn教授合作，提出了一种中空纤维分子筛膜用于现代医疗麻醉氙气在线回用技术（图1），揭示出弱吸附快扩散-强吸附慢扩散组分在分子筛膜中的竞争传质行为。利用分子筛膜孔道的筛分效应，将人体组织代谢产生的二氧化碳气体及时移除，实现了氙气的循环使用，可节约氙气采购成本99%以上，同时也缓解了氙气市场供应紧张的问题。
图1 现代医疗麻醉氙气分子筛膜法回用技术
Xe作为麻醉药剂具有无毒副作用、器官保护、快速诱导和苏醒等突出优势。目前，Xe的唯一可开采性来源是空气，多级深冷精制工艺能耗高；同时，Xe丰度极低，仅为 0.087 ppm，其市场供应量也极为有限。即使全球生产的高纯度Xe都应用于医疗麻醉，可服务的临床病例也不超过80 万人次。作者对CO2和Xe分子在DD3R分子筛膜中的传质行为进行研究，发现CO2单组分渗透性是CO2/Xe二元混合组分的两倍（图2）。通过DD3R分子筛颗粒break through吸附实验和分子动力学模拟阐释了Xe分子与CO2分子在DD3R分子筛膜表面的竞争吸附：Xe分子吸附在膜表面的半笼结构中，阻碍了CO2分子在此吸附位的吸附与传质。由于CO2/Xe的分离选择性高达约400，Xe回收率高达99％以上，过程能耗仅为$1.5 /Nm3。相对于目前高昂的Xe市场价格（$30000-$60000 /Nm3），分子筛膜氙气在线回用技术具有明显的技术优势和经济优势；同时，该膜材料在模拟体系中连续运行300小时以上，性能保持稳定，有望开发新型医疗麻醉器械，服务于我国现代化医疗体系建设。
图2 （a）中空纤维DD3R分子筛膜对CO2/Xe分离性能；（b）CO2和Xe分子传质扩散系数；（c-d）分子动力学模拟CO2和Xe分子在DD3R分子筛膜中的传质扩散行为；（e）DD3R分子筛膜长时间稳定运行性能。
相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition，通讯作者为南京工业大学王学瑞教授和顾学红教授，第一作者为南京工业大学王学瑞教授。
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Xe recovery by DD3R zeolite membranes - Application in anaesthetics
Xuerui Wang, Yuting Zhang, Xiaoyu Wang, Eduardo Andres-Garcia, Peng Du, Lorena Giordano, Lin Wang, Zhou Hong, Xuehong Gu, Sohail Murad, Freek Kapteijn
Angew. Chem. Int. Ed., 2019, 58, 15518-15525, DOI: 10.1002/anie.201909544
联系信息：
顾学红（xhgu@njtech.edu.cn）
王学瑞（xueruiwang@outlook.com）
参考资料：
王学瑞, 顾学红. 一种采用DD3R分子筛膜提纯氙气的方法[P]. CN 201910565055.X, 27.06.2019.
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