化石燃料的燃烧产生大量烟气，废气的排放加速了温室效应的恶化。从烟气混合物中分离和捕获二氧化碳（CO₂）对现代工业的可持续发展尤为重要。众多材料中，石墨烯（GO）和离子液体（IL）的组合在气体混合物分离中取得了良好的分离效果。然而，实际分离过程中，分离膜以层间塌缩的形式展现出多种褶皱形态。众多膜分离实验表明，目前存在多种交错堆垛形式的分离膜体系，其微观结构和局部窄孔的协同效应将影响气体混合物的分离结果。但在模拟中，仍然大量依赖刚性平行载体的分离模型，缺乏对膜性能影响的研究，这种不足或导致理论结果与实际情况的巨大差异。

基于此，青岛大学化学化工学院的刘晓敏研究团队通过分子动力学模拟研究了CO₂和N₂在不同纳米受限空间中的传输规律。在此基础上，阐明气体在支撑型离子液体膜（SILM）中的渗透和分离行为，对不同膜结构的渗透性选择进行了比较分析。

图文解析：

      首先，如图1所示，根据褶皱错位程度和方向的不同命名五种体系：左侧塌缩（SILM_Left），右侧塌缩（SILM_Right），中部塌缩（SILM_Middle），向上塌缩（SILM_Up）和错位塌缩（SILM_Dislocation）。对于界面处的选择过程，气液界面密度越高，膜的选择效果越好。分离膜对N₂的排斥差异较小，但对CO₂的阻断作用在五种膜中差异明显。如图2所示，层间距的变化对气体分子在不同区域的选择性有显著影响，可得到SILM_Middle > SILM_Dislocation > SILM_Left > SILM_Up > SILM_Right的顺序。

图1. 五种塌缩形态的分离膜模型示意图

（图片来源: J. Mol. Liq.）

      其次，对于膜内的渗透过程，当层间距离由宽变窄时，膜内的自由体积突然下降。气体分子在膜内停留时间增加，渗透难度增大。IL在膜中的分布不均匀，如SILM_Left和SILM_Right，导致分离结果前期选择性差，后期渗透性差，或前期渗透性差，后期选择性差。气体渗透的持久性受组分相互作用和液膜分布的影响。

图3. 五种塌缩形态的渗透时间比例及气体可接触自由表面积

图4. 各系统进料室和渗透室压力随时间的变化

      最后，跨膜分离的持续性实际上取决于气体和分离膜之间相互作用强度的平衡过程以及压力差的变化。研究表明，进料室的驱动力不足限制了气体交换和传输的持续性。这一结果对控制有效分离时间具有理论意义。在气体分离中，综合模型优化和气体传输微观机理的探索对于评价膜性能具有重要意义。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.molliq.2023.122834

原文作者：Xiangshuai Meng, Timing Fang*, Guohui Zhou, Shujin Liu, Xiaomin Liu*

作者信息：

姓名：孟祥帅

2020级硕士研究生

邮箱：mengxiangshuai2021@163.com

研究方向：离子液体复合膜气体分离性能的分子模拟研究