街头氧吧里的学问

街头氧吧里的学问

在一些大城市的街头设有与酒吧、网吧等类似的氧吧，供人们在劳作之余通过呼吸高纯氧气以达到消除疲劳、强身健体之目的。氧吧使用的高纯氧气一般是通过将空气液化后再行分离而得到的。我们能不能发明一种简易装置，在常温下即可从空气中分离出高纯氧气，从而使人们随时随地都能享用呢？答案应该是肯定的，因为目前科学家们正在研究的分子筛膜分离技术极有可能使这一美好愿望变为现实。

很多人都知道，利用多孔膜扩散的方法能够分离气体混合物。这个方法的基本原理是：在消除了黏性流动，仅作自由扩散的情况下，气体分子的迁移速率与其质量的平方根成反比。实践证明，发生在孔径只有几个纳米的多孔膜中的扩散为自由扩散，因此借助于多孔膜扩散的方法能够将不同质量的气体分子分离开。然而，这种根据质量大小区分分子的方法应用于氮、氧混合气体时得不到良好的分离效果，因为它们的分子质量比较接近。

分子筛膜是按照几何大小对分子加以选择、区分。分子筛，顾名思义，就是能筛分分子的物质，通常指带有结晶孔的硅铝酸盐。这类物质不同于其他的多孔介质，其内部孔道呈均匀的三维网状分布。孔径大小单一，具体的数值随着分子筛结构的变化而变化，但都介于0.4～1纳米之间，与分子的大小处于同一数量级，因而能够根据尺寸的大小识别分子。正因为如此，这类物质才被统称为分子筛。显然，由分子筛晶粒组成的分子筛膜也就自然而然地具备了筛分分子的潜能。

有关分子筛膜的制备及其分离性能的研究始于20世纪80年代中期。当时，为了解各种分子在分子筛孔道内的迁移情况，一些学者将一定数量的分子筛大晶粒（约200～300微米大小）用黏结剂黏合在一起，制备出最初的分子筛膜。后来，为克服操作上的困难，有人通过化学合成的方法，让众多的分子筛晶粒通过穿插生长而相互黏连。然而，具有实用价值的分子筛膜应当带有支撑体，以便能承受一定的机械压力。

带有支撑体的分子筛膜称为复合型分子筛膜，有关它的研究开始于20世纪90年代初，至今方兴未艾。复合型分子筛膜的制备方法大体上可分成三种：第一种可称为颗粒填埋法，即将事先制备好的分子筛颗粒填埋到有机聚合物当中，借助有机物的黏连和支撑作用成膜；第二种可称为自身晶化法，即由合成分子筛所需的氧化硅、氧化铝按照一定比例制成支撑体，然后让支撑体的某个侧面发生化学反应，生长出一分子筛膜层；第三种可称为溶胶凝胶法。在这个方法中，首先让合成分子筛所需的各种原料在强力搅拌下形成粒子直径在1微米以下的固、液混合物，即所谓的溶胶；然后让溶胶流过充当支撑体的多孔陶瓷表面，留下冻鱼汁状的薄层，即所谓的凝胶；最后将表面涂有凝胶的多孔陶瓷放入反应装置中，让凝胶层转化为分子筛晶粒层。三者之中，后一种方法应用最广。

迄今为止，已制备出的复合分子筛膜的性能仍难以令人满意，或是渗透量太小，或是分离效果较差。要制备出在渗透量和分离效果上都能满足实际需要的复合分子筛膜，唯一的出路在于实现分子筛膜层的致密化、超薄化。随着人们对分子筛晶化机理认识的逐步深入以及溶胶－凝胶法成膜技术的日益完善，实现上述目标指日可待。届时，拥有直接从空气中呼吸高纯氧气的便携式“氧吧”也将变成美好的现实。