综述：从绿色可持续性的角度出发，基于纤维素的复合气体分离膜的研究进展与未来展望

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综述：从绿色可持续性的角度出发，基于纤维素的复合气体分离膜的研究进展与未来展望

时间：2026年1月27日

来源：Carbohydrate Polymers

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纤维素基复合气体分离膜通过纳米填料和化学改性优化性能，兼具低能耗与环保优势，为碳中和目标下的绿色分离技术提供新路径。

韩佩 | 周静辉 | 贾宏格 | 耿成宝 | 张明宇 | 曲彦青 | 徐双平 | 张晓洲 | 王星 | 徐静宇

黑龙江省材料科学与工程学院，齐齐哈尔大学聚合物复合材料重点实验室，中国齐齐哈尔市文华街161006

摘要

气体分离膜技术以其低能耗和强环境兼容性而闻名，正在逐步取代传统的高碳分离工艺，成为绿色分离领域的核心焦点。基于纤维素的膜材料具有可再生性、生物降解性和低毒性，已成为新一代可持续分离膜的首选材料。在分离CO₂/N₂和O₂/N₂等关键气体对时，这些材料在渗透性和选择性之间表现出优异的平衡，结合了实用性和环境效益。本文综述了基于纤维素的复合气体分离膜的最新进展，重点通过系统评估关键气体分离中的渗透性-选择性权衡来优化性能。文章探讨了关键的优化策略，包括填充复合材料和化学表面功能化。优化后的基于纤维素的复合膜在气体选择性和渗透性方面都取得了显著提升。最后，本文总结了该领域当前面临的挑战，并概述了未来的研究方向，强调基于纤维素的气体分离膜的重要性不仅限于单一材料的优化。这项技术基于绿色化学原理，通过技术突破和跨场景应用，成为连接基础研究、工业转型和国家战略的关键纽带。

引言

随着全球气候危机的加剧和碳中和目标的日益严格，工业领域对高效、低碳气体分离技术的需求已从“潜在需求”转变为“生存必需”（Hasan等人，2021；Jones等人，2023）。国际能源署（IEA）预测，到2070年，碳捕获技术需要占全球碳排放减少量的19%（Chu等人，2024）。传统工艺（如胺吸收）依赖于腐蚀性溶剂（例如单乙醇胺），其再生过程会释放挥发性有机化合物（VOCs）（Jin等人，2025）。此外，废溶剂处理成本占运营费用的15-20%。低温分离和吸附方法的能耗分别为1.3-1.6 kWh/kg O₂和0.6 kWh/kg O₂，而其大规模设备会加剧热量损失（Alsayegh等人，2020）。这些技术由于高能耗和二次污染的风险，难以满足可持续性要求，也无法达到欧盟绿色协议和中国“双碳”战略的严格标准，这些战略要求工业碳捕获率超过90%（Hu & Ghorbany，2025）。

膜分离技术以其低能耗（比传统工艺节能30-70%）、模块化操作便利性和环境可持续性（无化学添加剂且无二次污染）而成为气体分离的关键解决方案（Parsapur等人，2020）。根据国际能源署的数据，工业分离过程占全球能源消耗的15%（Chu等人，2024）。该技术利用仅由压力差驱动的非相变分离机制，显著减少了碳排放，符合碳中和策略的严格要求（Schulze等人，2020）。随着新材料（如定向单层MOF膜）的进步和智能控制系统的实施，膜分离技术有望进一步推动工业分离向低碳解决方案、精确性和集成化发展（Peter，2025；van Bavel等人，2020；Wang & Xu，2023）。这项技术正成为实现零碳工业的核心驱动力。未来的工作必须关注解决膜寿命限制以及可持续原材料和溶剂的需求，以充分发挥其在零碳经济中的变革潜力。

基于纤维素的复合膜系统整合了天然纤维素的三大可持续优势：可再生生物质原料、微生物发酵碳固定效率和环境可降解性（Agumba等人，2022；Árvai等人，2024；Lucenius等人，2019）。此外，这些材料还具有低生态毒性（Ben Tzion-Mottye等人，2022）。纳米填料（如金属有机框架（MOFs）、石墨烯和MXene）的功能增强特性，包括精确的孔径控制、界面电荷的定向分布和协同的分子筛选效应，为克服传统基于纤维素的气体分离膜的性能限制提供了创新方法（Cheng等人，2018；Wang等人，2025a；Zhang等人，2022）。这种基于纤维素的复合膜的性能优化已经超越了传统限制。通过金属离子交联（Al³⁺/Ca²⁺）和纳米木质素增强，提高了机械强度和耐水性。此外，热稳定性提升至348°C（Xu等人，2025a）。通过金属有机框架（MOF）修饰实现了功能集成。ZIF-8@cellulose的CO₂/N₂选择性达到了120，渗透性提高了80%（Nabais等人，2019）。此外，基于纤维素的复合材料在实际应用中展示了气体分离能力（Hu等人，2024；Mittal等人，2021；Sun & Zhu，2024；Wu等人，2019；Zhou等人，2025a）。例如，它们通过调节低氧和高二氧化碳环境来帮助食品保存。这一过程涉及各种气体成分的选择性控制和分离，是气体分离技术在食品保存领域的具体应用（Sun & Zhu，2024）。

基于纤维素的气体分离膜在通过多尺度界面工程和迭代绿色工艺克服渗透性-选择性权衡和减少环境影响方面展现出巨大潜力（Li等人，2025a）。本文系统回顾了基于纤维素的膜在气体分离方面的最新进展，强调了性能优化策略和未来的研究挑战。预计这项工作不仅将为下一代气体分离膜的设计提供理论支持，还将弥合实验室创新与工程应用之间的差距，为下一代气体分离膜提供一条整合学术严谨性和工业适用性的路线图，从而促进材料从理论可持续性向工程可持续性的转变。

气体分离膜技术概述

在全球能源结构转型和“双碳”目标的推动下，混合气体的高效分离已成为清洁能源利用、工业减排和资源回收领域的关键问题（Li等人，2024a；Nie等人，2025）。在这方面，气体分离膜技术以其低能耗、模块化和环境可持续性的显著优势逐渐成为一种颠覆性技术

纤维素复合材料的制备方法及其在气体分离膜中的应用

基于纤维素的复合材料在气体分离膜领域的独特价值源于其天然聚合物骨架和功能单元之间的协同作用（Tanpichai等人，2022）。通过调节界面兼容性和复合系统的微观结构，可以在气体渗透性、选择性和机械性能之间实现精确平衡，从而为绿色分离技术开辟新的途径

研究总结

气体分离膜技术作为一种可持续的替代传统高碳分离工艺的技术，由于其低能耗和最小污染特性，正在推动分离行业的低碳转型。基于纤维素的材料是主要的选择，因为它们是可再生的（来源于秸秆和甘蔗渣等生物质），可生物降解（废弃膜在六个月内降解超过90%），并且毒性低

CRediT作者贡献声明

韩佩：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。 周静辉：数据整理。 贾宏格：正式分析。 耿成宝：资金获取。 张明宇：项目管理。 曲彦青：调查。 徐双平：可视化。 张晓洲：资源获取。 王星：资金获取。 徐静宇：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。