作为气体分离膜的水

清洁工业气体的新途径

许多驱动现代工业的气体混合着二氧化碳，去除成本高且大量排放有害。该研究表明，像水这样简单的物质可以被用作高效过滤器，帮助更有效地将二氧化碳与其他气体分离，可能降低碳捕集、天然气处理和沼气升级等工艺的能耗和环境影响。

借鉴树木的“呼吸”方式

树木每天静默地完成一项复杂的分离工作。在叶片内部，空气中的二氧化碳溶解到微小的注水通道中，随后被用于光合作用。这些通道能在植物内部压力极低或极高时依然牢牢保持水分。研究人员从自然中借鉴了这一想法，探问在同样微小的人造孔隙内保持的一层液态水，是否可以作为工业设备中气体的选择性通道。

把水变成可用的过滤器

团队制造了由多孔材料组成的膜，其内表面对水有强吸引力。加入少量水时，水会渗入低于100纳米的孔隙并滞留，形成连续的液层。膜一侧的气体只能先溶解到这层水中，然后缓慢扩散穿过，最终以气体形式在另一侧重新出现。由于二氧化碳在水中的溶解度远高于氮气、甲烷或氢气，它比这些气体更容易通过，而后者大多被阻滞在外。

在速率、选择性和强度之间取得平衡

通过精细控制被困水层的厚度，研究人员能够调节气体通过膜的速率。更薄的水层意味着溶解气体分子的迁移距离更短，因此整体通量增加。令人惊讶的是，将水层缩小到低于200纳米将二氧化碳的通量提高了近三个数量级，同时并未牺牲其相对于其他气体的显著选择性。具有最薄水层的膜在保持极高二氧化碳通量的同时，仍比大多数现有工业膜更有效地将其与氮气、甲烷和氢气分离。

在恶劣条件下保持稳定

对于任何新的分离技术，要在实际中发挥作用，就必须经受住现实的高压、干燥和复杂气体混合物的考验。这些水膜中的纳米孔产生强大的毛细力，即使当气体压力超过70巴（天然气处理相关的范围）时也能将水固定在位。团队表明，在至少八天的连续运行中使用非常干燥的进气时性能保持稳定，因为限制在如此小空间内的水仅缓慢蒸发。他们还测试了商业可得的注水聚合物膜，发现尽管这些膜更厚且渗透性较低，但表现出类似的二氧化碳选择性并能在横流条件下处理混合气流，表明放大生产具有可行性。

对未来气体净化的意义

简单来说，这项研究揭示，一层薄而约束良好的水可以胜过许多当前用于二氧化碳分离的先进材料。关键优势在于水资源丰富、无毒，并在被困于微小孔隙时能在高压下保持稳定；且水天然更易溶解二氧化碳而非其他常见气体，这一特性完成了大部分分离工作。通过进一步工程化以改进支撑材料、孔径和在复杂气流中的耐久性，基于水的膜有望成为一种稳健、高效节能且环境友好的工业气体净化平台。

引用: Lopez, K.P., Saffer-Meng, M., Allouzi, M. et al. Water as a gas separation membrane. Nat Commun 17, 4311 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70630-w

关键词: 水膜, 二氧化碳分离, 气体净化, 纳米多孔材料, 碳捕集