南京工业大学&苏州实验室邢卫红/潘宜昌,最新Nature Chemical Engineering!可扩展大面积ZIF-8膜用于工业丙烯/丙烷分离!廉海乾一作

膜基丙烯/丙烷分离代表了一项颇具前景的突破，具有重塑这一高能耗化学过程的潜力。沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）膜因其优异性能而在各种候选材料中脱颖而出，然而将ZIF-8膜从实验室规模验证推进到工业部署需要在可规模化、无缺陷制备方面取得突破，而传统方法尚未克服这些挑战。

2026年04月07日，南京工业大学/苏州实验室邢卫红、潘宜昌团队在Nature Chemical Engineering期刊发表题为“Scalable large-area ZIF-8 membranes for industrial propylene/propane separations”的研究论文，团队成员廉海乾为论文第一作者，邢卫红、潘宜昌为论文共同通讯作者。

第一作者：廉海乾

通讯作者：邢卫红、潘宜昌

通讯单位：南京工业大学、苏州实验室

论文DOI：10.1038/s44286-026-00373-4

该研究提出了一种微空间转化工艺（MSTP），通过解耦锌离子与配体之间的直接碰撞，实现了可控成核和结晶。该方法允许将管式载体的密封内腔作为反应空间，以可规模化方式制备具有工业级面积（200cm²）的异质结构ZIF-8膜。该研究展示了234张膜的批量制备（总面积>4.6m²），并将其组装成膜组件，该组件对工业原料气具有优异性能和长期稳定性。研究人员还通过开发侧流分离单元并展示膜集成应用，向工业实施迈出了关键一步，从而为基于膜的实际烯烃纯化建立了一条节能路径。

丙烯/丙烷（C₃H₆/C₃H₈）高效分离是现代化学工业中的一项关键挑战，直接影响全球聚烯烃行业的竞争力和可持续性。这一挑战源于这两种分子几乎相同的物理化学性质，它们仅相差一个C=C双键，使得传统蒸馏过程能耗极高。因此，该分离被广泛认为是“改变世界的七个化学分离过程”之一。膜基分离利用其规避相变潜热的固有优势，被认为是一种极具前景的节能分离替代方案。尽管聚合物薄膜或膜在不可冷凝气体分离方面已较为成熟，但其在C₃H₆/C₃H₈分离中的应用受到渗透性-选择性权衡以及在轻烯烃存在下易溶胀和塑化的严重限制。因此，目前尚无用于高效分离C₃H₆/C₃H₈的商业膜材料。

沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）的出现为精确分子筛分开辟了新途径。ZIF-8因其精确调控的亚纳米孔结构、优异的水热稳定性、低成本和相对简便的合成，成为一种非常适用于C₃H₆/C₃H₈分离的膜材料。因此，将ZIF-8晶体组装成连续多晶膜是实现高效C₃H₆/C₃H₈分离的一条有前景的途径。研究人员已开发出多种用于制备ZIF-8膜的合成策略，特别是通过在管式载体内的界面结晶。例如，Nair及其同事报道了一种界面微流体膜处理方法，该方法可在静态或流动条件下在空心纤维壁上实现可控ZIF-8生长。Pan及其同事还开发了一种前体辅助策略来制备管式ZIF-8膜，其中与曲面的界面附着力确保了膜的完整性。十多年的进展已将ZIF-8膜推向高C₃H₆/C₃H₈分离性能，理论能耗降至仅为蒸馏的10%。然而，许多报道的ZIF-8膜仍主要处于实验室规模（通常膜面积<10cm²）。尽管其性能前景良好，但在工业实施方面仍然存在巨大差距。

实现可规模化制造，特别是确保大面积ZIF-8膜（例如≥50cm²）的高可重复性制备，是成本控制和商业转化的核心瓶颈。正如Livingston和Baker在一次访谈中所强调的，在这种尺度（>50cm²）下制备无缺陷金属有机骨架（MOF）膜是艰巨一项兼具的任务。在应对这些放大挑战时，膜载体的选择变得至关重要。管式陶瓷载体具有多项优势，包括优异的机械稳定性、高堆积密度和易于密封，其内表面为膜层的制备提供了理想平台，有助于防止在膜组件组装过程中可能发生的机械损伤。在载体-膜界面层面，工业规模的陶瓷载体表现出更高的表面粗糙度，微米尺度的凸起作为局部应力集中点，显著增加了缺陷形成的风险，甚至促进裂纹在多长度尺度上的扩展。在单个膜面积放大的层面，传统的溶剂热方法依赖于前驱体在载体表面的异相成核和生长，但随着载体尺寸的增加，其传质和反应动力学发生显著变化。一旦局部过饱和度超过阈值，均相成核占主导地位，导致在体相溶液中产生大量随机成核。这不仅浪费前驱体并产生大量副产物，还会促进在基底表面形成致密的晶须状结构，阻碍膜的致密化。金属氧化物转化法通过解耦金属离子和配体的直接混合，有助于抑制MOF膜合成过程中的均相成核。Jin及其同事报道了使用ZnO纳米颗粒作为活性晶种促进ZIF-78生长，其他研究团队也展示了基于ZnO的转化策略，为ZnO介导的ZIF-8异相成核提供了基础。

在批量规模化层面，多根管的共存进一步使传质路径复杂化。各单根管之间对前驱体的竞争性消耗可能导致结晶不同步，产生一种级联恶化效应，其特征为传质受限→成核失控→缺陷积累。这种多尺度不平衡从根本上暴露了依赖于体相反应溶液的传统合成方法的固有局限性，严重制约了膜的可规模化。此外，原料利用效率低下和废液处理的负担对经济可行性产生了负面影响。前述挑战阻碍了MOF膜的工业应用。每个挑战源于不同的机制，并需要根本不同的技术策略来解决。迄今为止，尚无单一策略能同时成功解决所有这些障碍，以实现膜面积放大、可规模化生产和实际部署。

在此，为了应对这些挑战，该研究提出了一种用于构建ZIF-8膜的微空间转化工艺（MSTP），该方法既能实现可规模化制备，又能实现可控微结构演化。该策略利用管式载体的密封内腔作为受限反应空间，绕过了传统的充满溶液的反应器。锌源以垂直排列的ZnO纳米棒阵列形式预先锚定在内表面，合成溶液中仅包含配体2-甲基咪唑（2-MIM）。引入配体后，ZnO纳米棒逐渐溶解，产生局部Zn²⁺富集环境，从而能够与2-MIM优先配位。该过程有效抑制了体相溶液中的均相成核。同时，微空间缩短了传质路径，并实现了时间和空间上更均匀的浓度场，从而能够原位形成无缺陷ZIF-8膜。利用MSTP方法的优势，成功实现了大面积ZIF-8膜（每根管约200cm²）的可规模化制备，并将其组装成管式膜组件。这些组件表现出高C₃H₆/C₃H₈分离性能和长期运行稳定性。至关重要的是，结果证实，通过MSTP制备的膜，无论是单根管还是多根管，均未检测到质量差异。基于这一成功，研究人员设计并验证了一个工业侧流分离装置，并展示了ZIF-8膜单元的可行性。

图1 | HZIF-8膜的合成与表征。a，一根80 cm长管式陶瓷载体的光学照片。底部插图：局部SEM图像。b，ZnO纳米棒的表面SEM图像。插图：局部高倍SEM图像。c，HZIF-8膜的表面SEM图像。插图：截面SEM图像。d,e，ZnO纳米棒和HZIF-8膜的XRD图谱(d)和XPS光谱(e)。d中的星号表示氧化铝载体的衍射峰。f，采用FIB方法制备的管式载体表面HZIF-8膜截面的明场TEM和EDX面扫图像。样品表面覆盖有Au层和Pt层。g，通过结合XPS、ICP、TGA和EDX面扫测定的ZnO纳米棒、纯ZIF-8和HZIF-8膜的元素含量。h，ZnO纳米棒、纯ZIF-8和HZIF-8膜的水热稳定性，通过样品在80 °C水中保持10天后的XRD分析确定。i,j，ZnO纳米棒、纯ZIF-8和HZIF-8颗粒的TGA曲线(i)和N₂吸附等温线(j)。

图2 | 大面积HZIF-8膜的合成机理。a，通过CFD模拟得到的SSGM策略和MSTP策略分别合成的80 cm长膜在合成30 min后管内溶液的相对浓度分布。b，不同合成时间下，通过CFD模拟和UV-vis分光光度计实验测得的沿管长度方向管内溶液的相对浓度。c，SSGM策略和MSTP策略在不同长度下合成的80 cm长膜的膜厚度比较。数据以三个独立制备膜的平均值±标准误表示(n=3)。d，通过DFT计算得到的ZnO在水中以及吸附MIM的ZnO在水中的解离能。e，SSGM策略和MSTP策略在不同合成时间下合成的80 cm长膜的相对结晶度曲线。f，使用SSGM策略和MSTP策略时，膜长度为6.5 cm和80 cm情况下的溶液体积和底部沉淀物。g，本工作与文献报道中膜合成效率（每单位体积溶液可合成的膜面积）的比较。插图：两种合成策略的相对溶液消耗量。

图3 | HZIF-8膜的分离性能。a，HZIF-8膜对典型气体的单气渗透及相应的理想选择性。b，在进料温度55 °C下，跨膜压力对HZIF-8膜C₃H₆/C₃H₈分离性能的影响。数据表示为三个独立制备膜的平均值±标准差(n=3)。c，ZIF-8和HZIF-8膜对C₃H₆和C₃H₈的等量吸附热(Q_st)和扩散活化能(E_d)的能量分布图。d，大面积HZIF-8膜的Re数和切割比随进料流速的变化。e，大面积HZIF-8膜的浓度极化指数(CPI)评估和Re数随进料压力的变化。f，HZIF-8膜在不同进料条件下连续运行30天对C₃H₆/C₃H₈混合气(1:1)的分离性能。g，HZIF-8膜与文献报道的C₃H₆/C₃H₈分离性能比较。HZIF-8膜的数据是在N₂吹扫渗透条件下获得的。h，单根HZIF-8膜的C₃H₆产率与其他报道数据的比较。

图4 | HZIF-8膜及组件的可规模化制备。a，通过管对管工艺大规模制备HZIF-8膜的示意图。b，80 cm长HZIF-8膜组件的光学照片。c,d，单个制备批次(c)和三个独立制备批次(d)中制备的HZIF-8膜的分离性能。对于每个批次，展示了234个独立制备膜的数据(每批次n=234)。中心线代表中位数，空心圆代表平均值，箱体边界表示第25和第75百分位数，须线延伸至四分位距的1.5倍，超出此范围的点绘制为异常值。e，本工作与文献报道的其他方法制备每平方米膜的总成本比较。LIPS，配体诱导选择渗透化；FCDS，快速电流驱动合成；IMMP，界面微流体膜处理。估算的膜制备成本是从报道的实验室规模合成数据线性外推至一平方米。这些数值仅供参考，仅用于说明性比较，而非工业基准。

图5 | PDMS/HZIF-8膜工业侧流分离。a，膜单元耦合蒸馏塔底部过程的示意图。b，日处理能力为5–30 Nm³的侧流分离膜单元的光学照片。c，在5 Nm³ d⁻¹和55 °C下，进料压力对膜单元分离性能的影响。数值表示稳态运行条件下不同时间点收集的三次测量值(n=3)。数据表示为这些测量值的平均值±标准差。d，在17 bar和55 °C下，进料流速对膜单元分离性能的影响。数值表示稳态运行条件下不同时间点收集的三次测量值(n=3)。数据表示为这些测量值的平均值±标准差。e，在17 bar、55 °C和20 Nm³ d⁻¹条件下，测量膜单元进料侧、渗透侧和截留侧的C₃H₆和C₃H₈纯度。数据来自三个独立制备批次获得的膜，每个批次安装在同一分离单元中(n=3)。数值表示为各批次间的平均值±标准误。f，在17 bar、55 °C和20 Nm³ d⁻¹条件下，膜单元的分离性能连续测试30天。数值表示稳态运行条件下不同时间点收集的三次测量值(n=3)。数据表示为这些测量值的平均值±标准差。g，两种分离工艺下裂解炉的能耗和CO₂排放：蒸馏单元和耦合膜单元。