氦气作为半导体制造、医疗核磁共振和航天冷却的关键材料，全球需求量逐年攀升，但其主要来源——天然气中的氦气浓度通常低于0.3%，传统低温蒸馏法能耗极高，经济性差。近日，南京工业大学材料化学工程国家重点实验室王雪瑞团队在《化学科学与工程前沿》发表研究成果，成功制备出厚度仅300纳米的新型共聚酰亚胺膜（6FDA-APAF0.5-BIA0.5），在氦气分离领域实现颠覆性突破。该膜对氦气/甲烷（He/CH4）的选择性达124，渗透率高达87 GPU（气体渗透单位），较传统商用膜提升43倍，且能在高压和杂质环境下长期稳定运行，为天然气提氦提供了高效节能的解决方案。

从“厚壁”到“纳米级薄膜”：非溶剂诱导相分离技术破局

传统气体分离膜多依赖厚膜（如60微米）实现高选择性，但过厚的膜层导致渗透率低下，工业应用需庞大膜面积，成本激增。研究团队创新采用非溶剂诱导相分离（NIPS）技术，通过精准调控铸膜液配方（含四氢呋喃、乙醇等溶剂），在玻璃基板上制备出超薄非对称膜。该技术利用溶剂与非溶剂的快速交换，形成表面致密、内部多孔的300纳米选择性层，既保证高选择性，又将氦气渗透率提升至87 GPU，远超商用醋酸纤维素膜（13-14 GPU）和聚砜膜（2 GPU）。论文第一作者李颖表示：“这相当于在保持筛子细密的同时，把筛网厚度从一本书压缩到一张纸，气体通过速度大幅提升。”

抗杂质、耐高压：工业级应用的“全能选手”

天然气中常含二氧化碳（CO2）、乙烷（C2H6）等杂质，易导致传统膜性能衰减。团队通过引入刚性苯并咪唑（BIA）基团，增强膜结构的稳定性。实验显示，即使混合气中含5%乙烷或CO2，膜的氦气渗透率仅下降9%-15%，且在杂质去除后性能完全恢复。此外，在0.6 MPa高压下，膜对He/N2的选择性仍保持37，满足工业提纯要求（需25以上）。对比商用Torlon®膜在1%乙烷下性能骤降14%，该膜展现出更强的环境适应性。

经济性飞跃：能耗降低40%，提纯成本砍半

传统低温蒸馏法需将天然气冷却至-162°C，能耗占运营成本的70%。而该膜技术可在常温下运行，能耗降低40%。以美国新墨西哥州某氦气浓度4%的天然气田为例，采用该膜的两级分离系统可将氦气纯度提至99%，且膜面积需求减少80%，设备投资和运维成本大幅下降。团队估算，工业化应用后提纯成本可降低50%，使低浓度氦气资源（0.2%-0.5%）开采变得经济可行。

未来展望：从实验室到万亿级市场的最后一公里

研究团队正与中石油工程合作，推进膜组件的规模化生产测试。王雪瑞教授指出：“下一步将开发卷式膜组件，适配现有天然气处理装置，预计2026年实现示范工程落地。”该技术还可拓展至氢气纯化、碳捕获等领域，助力全球能源转型。随着各国对氦气战略储备的重视，这项“中国智造”有望重塑全球氦资源供应链，缓解半导体和医疗行业的“氦荒”危机。

结语
从实验室的纳米薄膜到工业级的分离革命，中国科研团队以材料创新打破气体分离的“性能跷跷板”，为清洁能源与高端制造注入新动能。这项突破不仅是基础科学的胜利，更标志着中国在关键材料领域正从跟跑迈向领跑。

来源: 化学工程前沿FCSE