化石燃料的燃烧伴随着大量工业废气的产生，烟道气中CO2的过量排放引发了一系列环境问题，特别是温室效应，正严重威胁着人们的生活。众多材料中，多孔聚偏氯乙烯（PVDF）和低共熔溶剂（DES）的组合在气体混合物分离中取得了良好的分离效果。分离膜内部结构特点对实际分离的工况环境变化是十分敏感的。根据液膜的微观分析，特别是基于分子尺度的理论研究，微观结构的影响通常被忽视，这将造成研究结果的理想化或与实际偏差的较大矛盾。为揭示微观相互作用机制和材料设计优化，应更科学地探索分离系统。
基于此，青岛大学化学化工学院的刘晓敏、房体明研究团队通过分子动力学模拟探究液膜负载比例及分离环境的影响下CO2捕集与分离机制，分析分离膜结构变化特征与分离机制的内在联系，明确复杂分离环境对分离膜性能影响的微观规律。
图文导读
首先，当ChCl的摩尔比高时，气液界面的气体积聚现象明显，ChCl呈现出被EG包裹的结构。随着ChCl摩尔比的降低，膜内结构逐渐致密，膜内微观结构发生变化。
图1. （a）高压和（b）低压环境中的CO2分离膜模型示意图
（图片来源：J. Mol. Liq.）
图2. 高压（10MPa）下复合膜CO2分离机制示意图
图3. 高压（10Mpa）下，（a）ChCl和（b）EG数密度分布曲线
其次，在减压后，ChCl:EG摩尔比为1:6仍然是分离的最佳比例。然而，由于缺乏压力，气液界面的气体聚集现象减弱，因此分离的主导因素发生了变化。膜中DES内不同组分之间的相互作用能量是分离差异的主要原因。
图4. 低压（0.9MPa）下，（a）气体分离快照；（b）平均力势曲线
图5. 复合膜依赖压力下的CO2分离性能
最后，当环境中的水分含量增加时，气体分离效果呈现出整体改善的趋势。当ChCl:EG的比例为1:6，加入体系的水的摩尔比为20%时，分离效果最佳。当体系中水含量增加时，膜中的自由体积减小，ChCl和EG之间的相互作用减弱，从而提高了气体的渗透性和选择性。
图6. 高压（10Mpa）下，模拟最后20ns内的平均渗透率和选择性
图7.（a）复合膜中气体分子的自由体积；（b）ChCl和CO2之间的相互作用能
在气体分离中，综合模型优化和探索气体传输的微观机理对膜性能的评价具有重要意义。
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0167732224008626?via%3Dihub
原文作者：
Shujin Liu, Mengmeng Ge, Lingzhi Meng, Xiaomin Liu*, Timing Fang*
DOI: 10.1016/j.molliq.2024.124806
作者信息：
姓名：刘淑瑾
2022级硕士研究生
E-mail：liushujin1119@163.com
研究方向：分子动力学模拟/膜分离/分离CO2