氦气，这种被誉为“黄金气体”的稀有资源，是半导体制造、核磁共振医疗、航天工业等领域不可或缺的战略物资。然而，全球氦气供应长期依赖天然气田的伴生提取，传统工艺能耗高、效率低，尤其在氦气浓度低于0.3%的天然气中，提取成本陡增甚至被视作“无价值资源”。近日，南京工业大学王雪瑞教授团队在《化学科学与工程前沿》发表重要研究成果，成功开发出一种超薄非对称共聚酰亚胺膜（6FDA-APAF₀.₅-BIA₀.₅），在氦气分离领域实现“选择性”与“渗透性”双突破，为天然气氦气回收提供了颠覆性解决方案。

氦气提取之困：为何传统方法“力不从心”？

氦气分子极小（直径仅0.255纳米），且化学性质极不活泼，难以通过常规化学方法富集。目前主流的低温蒸馏法需将天然气冷却至-269℃接近绝对零度，能耗巨大且设备复杂。而商用高分子膜虽能在常温下分离气体，但普遍存在“选择性”与“渗透性”的权衡难题：要么膜材料对氦气的选择性高但渗透速率低，需要庞大膜面积；要么渗透速率快但难以区分氦气与甲烷、氮气等杂质分子。

纳米级“分子筛”：超薄膜如何实现精准拦截？

王雪瑞团队创新性地采用非溶剂诱导相分离法（NIPS），通过精密调控铸膜液中的四氢呋喃（THF）、乙醇等成分比例，制备出厚度仅300纳米的超薄分离层。这种膜的核心材料为6FDA-APAF₀.₅-BIA₀.₅共聚酰亚胺——其分子链中引入的刚性苯并咪唑（BIA）基团，如同在膜内构筑了“分子栅栏”，既能高效拦截较大的甲烷（0.38纳米）和氮气（0.364纳米）分子，又允许氦气快速通过。

实验数据显示，该膜对氦气/甲烷的选择性高达124，氦气渗透速率达到87 GPU（气体渗透单位），较传统商用膜提升43倍。即使面对氦气浓度低至0.2%的天然气混合气，仍能保持75的选择性和73 GPU的渗透速率，远超工业应用门槛（选择性需≥54）。

抗干扰、长寿命：膜技术的“硬核”优势

天然气中常含二氧化碳（CO₂）和乙烷（C₂H₆）等杂质，易导致膜材料性能衰减。研究团队模拟工业环境测试发现，即使混合气中掺入5%的CO₂或C₂H₆，氦气渗透速率仅下降9%-15%，且杂质去除后性能完全恢复。此外，该膜在连续运行160小时后仍保持稳定，克服了传统高分子膜易“老化”的缺陷。这一突破得益于BIA基团对膜内微孔结构的刚性支撑，避免了长期使用中的结构塌缩。

从实验室到产业：氦气回收的“绿色革命”

当前，全球氦气年需求量超3亿立方米，但回收率不足30%。这项新技术若实现产业化，将带来多重变革：

1. 节能降耗：膜分离无需极端低温条件，能耗较传统工艺降低40%；
2. 提升经济性：即使低浓度氦气（<0.3%）亦可高效提取，释放大量“废弃”资源价值；
3. 设备小型化：超薄膜单位面积处理能力显著提升，可大幅减少膜组件体积，适用于海上平台等空间受限场景。

“这项研究为氦气供应链的自主可控提供了关键技术支撑，”论文通讯作者王雪瑞教授表示，“团队正与能源企业合作开发中试装置，推动膜材料的规模化制备。”

挑战与展望

尽管成果显著，产业化仍需攻克膜材料成本、大规模制备工艺等难题。例如，6FDA单体价格较高，未来可通过优化合成路径降低成本。此外，如何将膜组件集成到现有天然气处理系统中，也需要工程化创新。

随着全球氦气资源日益紧缺，这项“中国智造”的膜技术有望改写行业规则，让“黄金气体”真正成为支撑高科技产业的“可持续血液”。

来源: 化学工程前沿FCSE