气体分离膜——航天员呼吸保障的隐形卫士

当航天员在天宫空间站内正常工作生活时，他们可能不会注意到，一套依靠气体分离膜运行的二氧化碳移除系统正在一刻不停地工作，源源不断地将他们呼吸产生的二氧化碳从舱内空气中分离出去，维持着舱内大气环境的稳定。在航空航天领域，气体分离膜的重要性丝毫不亚于反渗透膜，它承担着座舱供氧、二氧化碳去除、燃料箱惰化等多个关键任务，是保障飞行安全和航天员生命健康的隐形卫士。从1970年代中空纤维气体分离膜实现产业化开始，气体分离膜就逐步取代了传统的化学吸收法和吸附法，成为航空航天领域气体分离的首选技术。

气体分离膜的分离原理是基于不同气体组分在膜材料中的溶解和扩散速率差异，在膜两侧分压差的推动下，渗透速率快的气体组分更多地透过膜，渗透速率慢的气体组分被截留，从而实现混合气体的分离。与传统的深冷分离和变压吸附技术相比，气体分离膜技术具有装置简单、重量轻、能耗低、运行可靠、不需要频繁更换耗材等优势，非常适合航空航天领域对可靠性和轻量化的要求。目前航空航天领域应用最广泛的是聚酰亚胺中空纤维气体分离膜，它具备优异的机械强度、化学稳定性和耐辐射性能，分离性能也满足多数场景的需求。

在航天领域，气体分离膜最核心的应用就是航天器舱内的二氧化碳移除。对于长期在轨运行的空间站来说，二氧化碳移除系统是生命保障系统的核心部件，如果不能及时移除二氧化碳，舱内二氧化碳浓度会快速升高，短时间内就会导致航天员中毒甚至死亡。传统的氢氧化锂吸收法需要定期更换吸收剂，每更换一次就需要消耗大量的后勤运力，对于长期在轨任务来说成本极高，而且废弃吸收剂的存放也会占用航天器空间。采用气体分离膜的二氧化碳移除系统，不需要更换吸附剂，只需要持续将舱内空气通入膜组件，就能连续不断地分离出二氧化碳，分离后的二氧化碳可以进一步处理，或者排放到太空中，运行可靠性非常高，非常适合长期空间站任务。

我国天宫空间站采用的自主研发中空纤维聚酰亚胺气体分离膜，二氧化碳的渗透通量比早期进口产品提升了2倍，二氧化碳/氮气选择性提升了50%，能够在低压差下实现高效分离，能耗降低了40%，重量也更轻。地面模拟实验显示，这套系统能够持续稳定运行，将舱内二氧化碳浓度稳定控制在0.5%以下，完全满足6名航天员长期驻留的需求，而且使用寿命超过10年，不需要进行核心部件更换，大大降低了空间站的运行维护成本。

在航空领域，气体分离膜最主要的应用是机载制氧和飞机燃料箱惰化。传统的民航飞机采用液态氧供氧，不仅储存成本高，还有一定的安全隐患，使用寿命也有限。采用气体分离膜的机载制氧系统，能够直接从发动机引气中分离出富氧空气，供给飞行员和乘客，不需要额外储存氧气，重量比传统液态氧系统轻40%以上，能耗降低了一半，而且维护简单，安全性更高，目前全球70%以上的民用飞机都采用了膜法机载制氧技术。我国自主研发的C919大飞机，就采用了国产的机载制氧气体分离膜，实现了核心部件的自主可控。

飞机燃料箱惰化是气体分离膜的另一个重要应用：飞机在飞行过程中，燃料箱内会不断产生燃油蒸汽，如果燃料箱内氧气浓度过高，很容易发生爆炸事故。传统的惰化方法是向燃料箱内充入液态氮气，需要定期补充，维护成本高，而且不适合长途飞行。采用气体分离膜的惰化系统，能够连续不断地从空气中分离出氮气，将浓度95%以上的氮气持续注入燃料箱，降低燃料箱内的氧气浓度，避免燃油蒸汽爆炸，不需要储存液氮，重量更轻，可靠性更高，已经成为新一代民航飞机的标准配置。

目前气体分离膜技术的发展方向主要是突破Robeson上限，也就是渗透性和选择性的此消彼长关系，研发同时具备高渗透性和高选择性的新型气体分离膜。近年来，混合基质膜、金属有机框架分离膜、热重排聚合物膜等新型膜材料不断取得突破，性能比传统聚酰亚胺膜提升了数倍，未来这些新型膜材料产业化后，将会进一步降低航空航天气体分离系统的能耗和重量，提升性能。我国在气体分离膜领域已经实现了自主可控，打破了国外的垄断，满足了航空航天领域的需求，未来随着深空探测和大飞机产业的发展，气体分离膜行业还将迎来更大的发展。